A sonda cerebral de alta densidade revela padrões elétricos distintos de tipos de células durante o comportamento

Tentar documentar como as células cerebrais únicas participam de redes que governam o comportamento é uma tarefa assustadora. As sondas cerebrais chamadas neuropixels, que apresentam matrizes de silício de alta densidade, permitiram aos cientistas coletar dados eletrofisiológicos dessa natureza de uma variedade de animais. Isso inclui peixes, répteis, roedores e primatas, bem como humanos.

Os neuropixels, que vêm em várias versões, registram atividade elétrica de centenas a milhares de neurônios simultaneamente. Os neurônios são células nervosas que recebem, processam e transmitem informações.

Enquanto os dados coletados levaram a informações sobre a base neural da percepção e tomada de decisão, essas sondas não podem amostrar estruturas cerebrais em escala fina. Eles também são limitados na resolução (distinção separadamente) dos campos elétricos em torno das células cerebrais individuais.

Uma sonda recém -desenvolvida, chamada Neuropixels Ultra, supera alguns desafios técnicos importantes ao registrar o tipo de célula e a atividade de milhares de células individuais em muitas regiões cerebrais durante um único experimento.

A sonda é essencialmente uma câmera implantável e sensível a tensão que pode capturar imagens planas do campo elétrico de uma célula cerebral.

“Desenvolvemos uma sonda de silício com locais de gravação muito menores e mais densos do que os designs anteriores”, disse Nick Steinmetz, autor correspondente de um relatório sobre testes da função da investigação. Steinmetz é professor associado de neurobiologia e biofísica na Escola de Medicina da Universidade de Washington em Seattle.

O STEINMETZ LAB faz parte do Laboratório Cérebro Internacional e do Consórcio Neuropixels.

O projeto recente reuniu cientistas de vários laboratórios de neurociência e bioengenharia nos Estados Unidos, bem como no Japão, Alemanha, Bélgica, China, Noruega, Inglaterra e Itália.

O artigo deles apareceu em 30 de setembro na revista, Neurônio.

O projeto faz parte da “pesquisa cerebral do National Institutes of Health através do avanço da neurotecnologias inovadoras”, também conhecida como iniciativa cerebral. A iniciativa foi criada para desenvolver e aplicar tecnologias inovadoras para mapear os circuitos cerebrais e entender suas funções, bem como outras ferramentas de pesquisa cerebral. O objetivo abrangente é produzir uma imagem dinâmica do cérebro que mostra como células individuais e circuitos neurais complexos interagem no tempo e no espaço.

O novo neuropixels de densidade ultra-alta é uma etapa significativa nessa direção.

Ao obter informações mais detalhadas sobre o campo elétrico em torno de uma célula cerebral do que o anteriormente era possível, a nova sonda melhorou a capacidade dos cientistas de detectar e classificar células individuais.

Por exemplo, os pesquisadores conduziram gravações do córtex visual do rato – uma área perto da parte de trás do cérebro que processa e interpreta informações provenientes dos olhos. Os cientistas foram capazes de detectar o dobro de células cerebrais, em comparação com gravações com outras versões de neuropixels. Eles também poderiam distinguir três subtipos de células corticais uma da outra e de outros neurônios. Ser capaz de detectar subtipos de células específicos é importante no estudo dos circuitos cerebrais.

Como a sonda coletou dados de locais menores, previsivelmente apresentava níveis de ruído mais altos por canal do que as sondas anteriores. Mas, como ele amostrou 10 vezes mais sites de gravação, ainda ofereceu melhor qualidade de dados.

Os neuropixels ultra foram mais precisos ao estimar a posição espacial dos picos, o aumento rápido e a queda repentina de um impulso elétrico de uma célula cerebral. Foi melhor separar picos de um neurônio e não atribuí -los a neurônios próximos. Essa precisão espacial ajudou a aumentar o rendimento de neurônios classificáveis ​​e visualmente responsivos. Tais medições podem ajudar os cientistas a decodificar e rastrear com mais precisão o desempenho das células cerebrais relacionadas a estímulos visuais.

Os pesquisadores também usaram os neuropixels Ultra para determinar como os espigões extracelulares de fita pequena predominante estavam em diferentes regiões do cérebro e em outras espécies que não os ratos. Esses animais incluíam peixes elétricos, lagartos de dragão barbudos e macacos de pigtail.

“Essas pequenas pegadas espaciais, difíceis de detectar com sondas de menor densidade, são consistentemente detectadas com neuropixels ultra”, observaram os cientistas. Eles também descobriram que as pegadas espaciais dos tipos de células que foram identificadas geneticamente eram diferentes para cada tipo de célula. Essas informações podem ajudar, por exemplo, ao determinar quais células estão presentes e sua atividade elétrica distinta.

Os pesquisadores concluíram que houve trade-offs entre as sondas mais novas e mais antigas, dependendo do tipo de experimento que um laboratório conduz. Embora a investigação mais recente tenha um tamanho e espaçamento menor no local, ela também tem o que seus desenvolvedores descrevem como uma resolução “sem precedentes”. Por outro lado, as sondas mais antigas têm uma extensão de gravação vertical maior. No entanto, as descobertas recentes “destacam as vantagens das sondas eletrofisiológicas com aumento da densidade do local para uma ampla gama de aplicações de neurociências”, observaram os pesquisadores.

Os primeiros autores do artigo são Zhiwen Ye, um neurocientista de pós -doutorado no laboratório Steinmetz da UW School of Medicine, e Andrew M. Shelton, do programa Mindscope e Instituto de Dinâmica Neural, bem como o grupo comportamental do Instituto Allen para ciências do cérebro.