טכנולוגיה פורצת דרך חדשה, שפותחה במשותף על ידי מדעני UCL, שמתעדת ומתמרנת בו-זמנית פעילות נוירונים עמוק בתוך המוח יכולה לשנות את ההבנה שלנו לגבי מעגלים עצביים ומצבים נוירולוגיים, כמו מחלת אלצהיימר וסכיזופרניה.
המכשיר, המכונה Neuropixels Opto ונחקר בעכברים, משלב שתי טכניקות חזקות אך נפרדות באופן מסורתי – אלקטרופיזיולוגיה (חקר הפעילות החשמלית של תאים חיים) ואופטוגנטיקה (משלבת גנטיקה ואופטיקה לשליטה בתאים). הם יוצרים בדיקה אחת, המאפשרת תובנה חסרת תקדים לגבי האופן שבו נוירונים בודדים במוח מתפקדים ומקיימים אינטראקציה.
פורסם ב שיטות טבע, המערכת מאפשרת לחוקרים לנטר את הפעילות החשמלית של מאות נוירונים תוך הפעלה או השתקה סלקטיבית של תאים ספציפיים באמצעות אור.
המחקר פותח על ידי צוות בינלאומי, בראשות מדענים ב-UCL ובמכון אלן (סיאטל, ארה"ב), ומהווה חלק מפרויקט של 15 מיליון ליש"ט, הממומן על ידי Wellcome Trust, מכון אלן ושותפים אחרים, החוקר את טכנולוגיית הבדיקה של Neuropixels.
מדענים מאמינים Neuropixels Opto יכול לשנות את הבנתנו את המוח על ידי גילוי כיצד נוירונים בודדים מקיימים אינטראקציה בתוך מעגלים מורכבים כדי להניע התנהגות, תפיסה ומחלות.
המוח מעבד מידע באמצעות דפוסים מורכבים של פעילות חשמלית, כאשר מיליארדי נוירונים מתקשרים באמצעות אותות חשמליים מהירים.
ההבנה כיצד האותות הללו מובילים להתנהגות, מחשבה ומחלות דורשת כלים שיכולים גם להתבונן ולהשפיע על הפעילות הנוירונית.
עד כה, מדענים הסתמכו בדרך כלל על גישות נפרדות: בדיקות אלקטרופיזיולוגיות לתיעוד פעילות עצבית, ואופטוגנטיקה כדי לשלוט בה. השילוב בין השניים הוכיח את עצמו כמאתגר, במיוחד באזורי מוח עמוקים יותר, שבהם אספקת אור מבלי לשבש הקלטות רגישות היא קשה מבחינה טכנית.
Neuropixels Opto מתגבר על מגבלות אלו על ידי שילוב שתי היכולות במכשיר אחד, המאפשר מדידה ומניפולציה בו זמנית של מעגלים עצביים."
מתאו קרנדיני, מחבר משותף, פרופסור, מכון UCL לרפואת עיניים
בדיקה קטנה יותר משערת אדם
במרכז הטכנולוגיה נמצאת גשושית סיליקון צרה יותר משערת אדם, המצוידת במאות אתרי הקלטה וכן פולטי אור מיקרוסקופיים.
תכונות אלו מאפשרות לבדיקה ללכוד אותות חשמליים מפורטים מתאי עצב המופצים לאורכו תוך מתן גירוי אור ממוקד במדויק במספר אתרים במוח.
פרופסור קרנדיני, פרופסור למדעי המוח החזותיים ב-UCL, הוסיף: "זה מאפשר, לראשונה, לבדוק ישירות כיצד נוירונים ספציפיים משפיעים על פעילות המעגלים הסובבים – חושף קשרים סיבתיים בין פעילות עצבית ותפקוד מוחי.
"היכולת גם לתעד וגם לשלוט בפעילות נוירונית באותו ניסוי מייצגת התקדמות משמעותית עבור מדעי המוח."
המחברת הראשית, ד"ר קרולינה סוצ'ה, עמיתת מחקר במכון UCL לרפואת עיניים, החלה להשתמש בבדיקות אלה כדי לחקור את תפקוד קליפת המוח – האחראית לרבות מהיכולות המתקדמות ביותר של המוח. לדבריה, מחקריה בעכברים מספקים כמה תצפיות מפתיעות.
"על ידי הפעלה או השתקה סלקטיבית של סוגים ספציפיים של נוירונים תוך ניטור התגובה של תאים סמוכים, אנו יכולים להתחיל למפות כיצד מרכיבים שונים של המוח פועלים יחד כדי לייצר התנהגות", אמרה.
"הופתענו לגלות שניתן לאתר בצורה יוצאת דופן את פעילות הנוירונים בקליפת המוח. עד כה חשבנו שנירונים כל כך קשורים זה בזה, עד שלא תהיה דרך להפעיל חלק מהם מבלי להפעיל רבים אחרים. Neuropixels Opto בדיקות גילו שהנוירונים האלה יכולים לפעול לא רק ביחד אלא גם באופן עצמאי".
גישה זו צפויה לסייע במתן מענה לשאלות ארוכות שנים במדעי המוח, כולל כיצד מעובד מידע על פני אזורי מוח וכיצד מעגלים עצביים ספציפיים תורמים לתפיסה, למידה וקבלת החלטות.
השלכות לחקר הפרעות מוחיות
לטכנולוגיה עשויות להיות גם השלכות חשובות להבנת מצבים נוירולוגיים ופסיכיאטרים.
הפרעות רבות, כולל סכיזופרניה, מחלת אלצהיימר ומחלת פרקינסון, קשורות לשיבושים בתקשורת הנוירונים. על ידי מתן תמונה ברורה יותר של אופן פעולתם של מעגלים עצביים במצבים בריאים וגם במצב חולי, Neuropixels Opto יכול לתמוך בפיתוח של טיפולים ממוקדים יותר.
הפיתוח של Neuropixels Opto כלל שיתוף פעולה רחב בין מוסדות בארה"ב, בריטניה ואירופה, לצד שותפים הנדסיים.
העבודה מהווה חלק ממאמץ רחב יותר לפיתוח כלים מתקדמים לחקר המוח בקנה מידה, במטרה להנגיש את הקלטה העצבית ברזולוציה גבוהה ובקנה מידה גדול יותר לחוקרים ברחבי העולם.
צעד קדימה עבור כלים למדעי המוח
נוירופיקסלים הם בדיקות סיליקון מהדור הבא הפועלות כמו אלקטרודות זעירות, המאפשרות למדענים לתעד את הפעילות החשמלית של מאות נוירונים בו זמנית על פני אזורי מוח שונים.
על ידי אריזה של כ-1,000 אתרי הקלטה מרווחים על בדיקה דקה במיוחד, הם מאפשרים ללכוד אותות ברזולוציה גבוהה מתאי מוח בודדים תוך ניטור של רשתות עצביות גדולות בו-זמנית.
