Imec maakt langdurige observaties hersenneuronen mogelijk met nieuwe sonde

Het Belgische onderzoeksinstituut Imec legt de laatste hand aan een nieuwe generatie hersensondes. Met de Neuropixels 2.0-sondes kunnen onderzoekers nog beter de activiteit van individuele zenuwcellen bij dieren registreren en dat voor een langere periode van tijd.

De nieuwe sondes zijn volgens de onderzoekers een derde kleiner dan de eerste generatie Neuropixels die in 2017 door het onderzoeksbureau zijn ontwikkeld. Ze bevatten vier opnamekanalen in plaats van het enkele opnamekanaal uit de vorige generatie.

Er is ook gesleuteld aan de dataverwerking van het platform. “Onze onderzoekers hebben een nieuwe manier ontwikkeld om data te verwerken. Dat, in combinatie met een aangepaste layout in de sonde, zorgt ervoor dat Neuropixels 2.0 nog beter geschikt is voor de toepassingen die we voor ogen zien”, aldus mede-onderzoeker Tim Harris. "Met de nieuwe sonde kan een groter hersengebied gemeten worden, wat niet enkel de opnames ten goede komt, maar ook geschikt is om de activiteit in dunnere lagen van de hersenen te meten", aldus de auteurs van het persbericht.

De onderzoekers willen met Neuropixels 2.0 bovendien onderzoeken hoe het leren en memorisatie tot stand komt in de hersenen van kleine zoogdieren. Hiervoor moet men de elektrische activiteit van individuele neuronen langdurig kunnen observeren. “Neuronen observeren is een lastige klus. Elk brein beweegt immers als het onderzochte dier in kwestie een beweging uitvoert.” Met deze nieuwe sondes kunnen de onderzoekers de activiteit in meer dan 6000 verschillende punten in de hersenen registeren. “Dankzij ons verbeterde ontwerp kan een bewegende neuron die uit het sensorische blikveld van één punt verdwijnt, opgepikt worden door een ander nabijgelegen sensorpunt”, aldus Harris.

De eerste generatie Neuropixels wordt volgens IMEC wereldwijd door meer dan 400 laboratoria gebruikt om de elektrische spanning in hersenneuronen bij dieren te onderzoeken. Het onderzoeksbureau hoopt dat de nieuwe sondes in 2022 ingezet kunnen worden.

Update, 20u15: Artikel aangevuld met uitspraak over potentiële toepassingen. Met dank aan Elefant en Cergorach.

Reacties (25)

NeuroPixels zijn geweldig. Het probleem was altijd dat je als onderzoeker een afweging moest maken: wil ik snelle data hebben (dus bijvoorbeeld het vuren van individuele actiepotentialen), of wil ik data van veel verschillende gebieden hebben?

Voor het eerste kun je patch-clamp electrophysiologie gebruiken, evenals zogenaamde single-unit opnames. Voor patch-clamp gebruik je een dunne glazen naald die je op een individuele neuron vastzuigt, en dan het membraan van het neuron onder de tip openbreekt zodat je direct kan meten wat er in de cell gebeurt. Supersnel en supernauwkeurig, maar enorm lastig en tijdrovend. Met single-units stop je domweg een geisoleerde metalen draad (doorgaans platinum of tungsten) in het brein tot je naast een cel zit, en meet je zo de actie-potentialen van de cel. Minder nauwkeurig, maar veel makkelijker.

Het nadeel van deze technieken is dat je vaak maar van een enkel punt meet wat er gebeurt. Wat we willen weten is hoe activiteit in gebied A invloed heeft op activiteit in gebied B. Bijvoorbeeld bij een patient met de ziekte van Parkinson verandert de activiteit in de striatum. De striatum verbindt met onder andere de Subthalamic Nucleus en Globus Pallidus, die daardoor ook hun activiteit veranderen. Nu blijkt dat als we maar hoge-frequentie stroom in de Subthalamic Nucleus gooien, de rest van het netwerk zich weer min of meer gedraagt: en zo komen we aan Deep Brain Stimulation, wat inmiddels ook bij andere ziektes wordt gebruikt.

Wat we nog steeds niet goed weten is waarom dat werkt. En als we gelijktijdig kunnen meten wat er in zowel de STN als bijvoorbeeld de Striatum gebeurt, kunnen we beter begrijpen waarom deze interventie werkt - en deze mogelijk verbeteren.

Wat NeuroPixel probes doen, is feitelijk een single-unit opname toepassen op een "grote" printplaat met duizenden "units". Door die printplaat precies juist te positioneren, wordt het mogelijk om gelijktijdig heel erg nauwkeurige informatie te krijgen van individuele neuronen, uit meerdere gebieden. Dit was tot neuropixels nagenoeg onmogelijk. Alternatieven als calcium / voltage imaging zijn langzamer en lastiger diep in de hersenen te gebruiken, en non-invasive technieken als fMRI, EEG en MEG hebben niet die resolutie in tijd of ruimte. Met NeuroPixels konden er ineens heel veel nieuwe vragen beantwoord worden!

Sallaint detail: de kwaliteit data uit elke "unit" varieert enorm, en er komt erg veel analyze aan te pas om er goede data uit te halen, dus een verbetering hierin is ook enorm welkom. Voor de eerste versie probes was het erg lastig om goede bruikbare data te krijgen, en nog moeilijker om data over een lange periode te vergaren. Bedenk ook dat duizend units niet per se gelijk staat aan duizend neuronen: sommige units meten de activiteit van een enkel groot neuron waar ze naast liggen, en sommige units meten activiteit van meerdere neuronen. In de praktijk heb je soms maar ~ 100 bruikbare neuronen uit een probe met 1000 kanalen.

Waar wetenschappers nu trouwens vooral op zitten te wachten, is tot die probes eindelijk wat goedkoper worden. Voor de versie 1 variant betaal je snel $1000 per probe, en die kun je na een paar opnames weggooien. Ze zijn enorm kwetsbaar, en moeilijk helemaal schoon te krijgen zonder ze te beschadigen. Er zijn wel alternatieven met een vergelijkbaar aantal units (4096 is niet vreemd tegenwoordig), dus hoewel NeuroPixels erg populair zijn, zijn ze zeker niet de enige optie. Wat Imec vooral goed gedaan heeft, is ervoor zorgen dat de probes makkelijk te koop zijn en dat het hele systeem inmiddels erg goed werkt!

Betreffende multielectrode recordings; tungsten en platinum electrodes waren al niet meer state of the art toen ik recordings maakte van de frontal cortex lagen ongeveer 7 jaar geleden. We maakten toen gebruik van stereotactisch ingebrachte multielectrode probes met 10+ electrodes die herbruikbaar waren; per electrode konden uit een laag meerdere pyramidale neuronen worden gemeten. Betreffende de patch-clamp experimenten: het is “redelijk” eenvoudig om een goede seal te krijgen (indien intacte cell recording en niet inside-out of andere vormen) mits geoefend en goede apparatuur.

De volgende vraag is miniturisatie. De electrodes zijn nog steeds vrij groot, wat het gebruik beperkt en langdurig gedrag bestuderen bemoeilijkt.

Verder, betreffende de comments hieronder: ja er is sprake van het gebruik van proefdieren. Wel wordt er steeds meer ingezet om dit te verminderen en zijn er (gelukkig) goede Europese met daarboven vaak nog aanvullende landelijke wetgevingen. Echter, bvb multielectrode recordings in vitro, kunnen nog niet simuleren wat de volledige hersenen uitvoeren (vooral de connecties, en effecten op regios zijn van belang, waardoor de complexiteit toeneemt), helaas.

Patch clamp is, voor een getrainde wetenschapper, zeker doenbaar in culture en slice. Helaas is dat in vivo toch wat anders, zeker als je dieper gaat dan cortex en niet meer kan zien waar je mee bezig bent.

En zelfs in slice hangt het er heel erg vanaf wat je opneemt. Een pyramidal is natuurlijk een eitje, die zijn enorm groot. Wel eens geprobeerd een astrocyte te patchen? Neem het maar van mij aan, dat zijn de momenten waarop je erg graag aan imaging doet En dan komt nog de vraag hoeveel je tegelijk opneemt: een enkele neuron, zeker geen probleem. Wij deden vier tegelijk, en dan zul je altijd zien dat de eerste cell die je gesealed hebt alweer loslaat tegen de tijd dat je de laatste cell eindelijk gepatched hebt. Sommige malloten doen aan acht of zelfs twaalf tegelijk, en wat ik hoor is dat het zo'n enorm gedoe om op te zetten dat ze die setups in de praktijk bijna niet gebruiken.

En dan komt iemand met een silicon probe / MEA waarmee je honderden neuronen tegelijk pakt; ik zou wel weten wat ik liever deed!

Aangaande miniturisatie: ik zie voor de probes zelf weinig voordeel om die kleiner te maken. Ze gaan nu al stuk zodra je er verkeert naar kijkt, en je wilt toch een zekere minimumlengte hebben, juist om een groter gebied in kaart te brengen. De electronica erop aan de andere kant, dat zou wel kleiner en lichter mogen. Als ik zie hoe een miniscope maar 2.6 gram (!) weegt zou dat hopelijk mogelijk moeten zijn. Kwestie van tijd!

Ben je je wel bewust van waar Neuralink me bezig is?

Die hebben onlangs een prototype gedemonstreerd (in een aap) waarbij > 2000 kanalen tegelijk uitgelezen worden. Draadloos. Via Bluetooth.

Het gaat om zo'n 100 "draadjes" met elk tussen de 10 en 20 sensoren verdeeld over een lengte van ongeveer 1 - 2mm die de cortex dik is. Dus er kan in 3D gemeten worden in de cortex.

En dan de kicker: hierbij is duplex datacommunicatie mogelijk. Dus: zowel uitlezen als specifieke groepen neuronen stimuleren. Met een veel hogere resolutie dan eerder mogelijk was.

Dit ding van IMEC heeft ongetwijfeld z'n niche toepassing in wetenschappelijk onderzoek, maar staat denk ik in geen verhouding met de mogelijkheden die het Neuralink apparaat biedt?

Bovendien zal het Neuralink apparaat binnen een paar maanden in de eerste mens geprobeerd worden, terwijl de IMEC sonde nog minstens een jaar op zich laat wachten.

Samenvatting: de Amerikanen lopen weer eens zo'n 10 jaar voor op de Europeanen?

[Reactie gewijzigd door GeoBeo op 21 april 2021 14:47]

“Onze onderzoekers hebben een nieuwe manier ontwikkeld om data te verwerken. Dat, in combinatie met een aangepaste layout in de sonde, zorgt ervoor dat Neuropixels 2.0 nog beter geschikt is voor de toepassingen die we voor ogen zien”

De leegheid is verpletterend

Het is Jay (Tweakers.net redactie) die twee zinnen quote uit een artikel achter een paywall.

Op hun eigen site wordt toch heel netjes verteld waarom het zoveel beter is:
https://www.imec.be/nl/pr...voor-hersenwetenschappers

Artikel aangepast, bedankt voor de feedback!
Jay

kan niet wachten op Neuropixels 3.0.
heb gehoord dat het meer pixels heeft

😂

Kan eigenlijk alleen maar zeggen en hopen dat de 3.0 minder invasief zal gaan zijn.

Niet simpel om te doen had ik eens gelezen.
Naar het schijnt vallen de hersenen electroden zo aan dat deze snel niks meer kunnen opvangen.
Men zou dus nog hard op zoek zijn naar materialen die langdurig in de hersenen kunnen blijven zonder zware reacties uit te lokken van het immuunsysteem.

Kan niet wachten tot ik gewoon door Pornhub kan scrollen met mijn gedachten en mijn rechterhand vrij heb.

Natuurlijk eerst op onschuldige dieren getest?

Ze beloven het alleen op schuldige dieren te testen.

Correct. Alleen op dieren die tenminste 1 plant of 1 dier vermoord dan wel opgegeten hebben.

Het is ook wreed.

Bedenk me nu dat ze altijd op witte muizen testen. #whitelivesmatter

Haha grappig...... elk dierenleed is er één teveel of voel je jou superieur tegenover elk dier?