Neuropixels-Opto-Sonde schreibt Gehirndaten um

Die Unified Neural Interface: Traditionell waren Neurowissenschaftler gezwungen, das Gehirn entweder nur zu beobachten oder nur zu steuern: Sie verwendeten getrennte elektrophysiologische Sonden, um rohe elektrische Signale aufzunehmen, und Optogenetik, um diese mit Licht zu manipulieren.

Die Kombination dieser Werkzeuge tief in subkortikalen Strukturen, ohne sensible elektrische Aufzeichnungen zu stören, galt bis vor kurzem als unlösbares ingenieurtechnisches Problem.

Die Micro-Hair Silicon Architecture: Neuropixels Opto integriert etwa 1.000 dicht beieinander angeordnete Mikro-Aufnahmestellen zusammen mit einem Array mikroskopischer Lichtemitter auf einer einzigen Siliziumsonde, die dünner ist als ein menschliches Haar.

Was die Studie zeigt

Dies ermöglicht es Forschern, hochauflösende elektrische Wellenformen aufzuzeichnen, während sie gleichzeitig präzise gezielte Lichtstimulation an mehreren tiefen Hirnregionen gleichzeitig auslösen.

Ein globales Bündnis im Wert von 15 Millionen Pfund: Dieser Durchbruch ist Teil einer umfangreichen Technologieinitiative im Umfang von 15 Millionen Pfund, die vom Wellcome Trust, dem Allen Institute und internationalen Partnern finanziert wird. Das Projekt wird Neurowissenschaften Professor Matteo Carandini und der Co-Autorin Dr.

Karolina Socha am UCL Institute of Ophthalmology geleitet. Das Mythenzertrümmern der kortikalen Vernetzung: Mit Neuropixels Opto zur Überprüfung der Großhirnrinde hat Dr. Socha eine überraschende biologische Entdeckung gemacht.

Was die Studie zeigt

Neurowissenschaftler gingen lange davon aus, dass kortikale Neuronen so dicht vernetzt seien, dass die Stimulation eines kleinen Zellverbunds zwangsläufig eine kaskadierende Welle in benachbarte Netzwerke auslösen würde.

Neuropixels Opto hat gezeigt, dass kortikale Neuronen mit bemerkenswerter Lokalisation und extremem unabhängigen Autonomie operieren können.

Isolierung absoluter kausaler Zusammenhänge: Indem Forschern die Möglichkeit gegeben wird, bestimmte Zelltypen selektiv zu aktivieren oder zu stilllegen, während gleichzeitig die Echtzeit-Reaktion umgebender Schaltkreise im selben Experiment verfolgt wird, überwindet Neuropixels Opto die bloße Korrelation in der Neurowissenschaft.

Was die Studie zeigt

Es bietet einen aktiven Leinwand, um genau zu kartieren, wie einzelne Zellen Wahrnehmung, Lernen und Entscheidungsfindung antreiben.

Ein diagnostischer Bauplan für Hirnerkrankungen: Komplexe neurologische und psychiatrische Störungen – darunter die Alzheimer-Krankheit, Schizophrenie und Parkinson-Krankheit – werden durch tiefgreifende Unterbrechungen der Schaltkreis-Kommunikation verursacht.

Durch die Bereitstellung eines zugänglichen, hochauflösenden Einblicks in neuronale Netzwerke sowohl im gesunden als auch im erkrankten Zustand ermöglicht dieses offene Werkzeug der globalen Wissenschaft die Entwicklung hyperzielgerichteter medizinischer Interventionen.

Was die Studie zeigt

Quelle: UCL Eine neue bahnbrechende Technologie, die gemeinsam wurde und gleichzeitig die Aktivität aufzeichnet und manipuliert, könnte unser Verständnis neuronaler Schaltkreise und neurologischer Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit und Schizophrenie revolutionieren.

Das Gerät, Neuropixels Opto genannt und zunächst an Mäusen erforscht, integriert zwei leistungsstarke, traditionell jedoch getrennte Verfahren: die Elektrophysiologie (die Erforschung der elektrischen Aktivität lebender Zellen) und die Optogenetik (die Kombination Steuerung ).

Sie bilden eine einzige Sonde, die einen bisher unerreichten Einblick in die Funktionsweise und Interaktion einzelner Neuronen im Gehirn ermöglicht. Die integrierte Neuropixels-Opto-Siliconsonde kombiniert etwa 1.000 Aufzeichnungspunkte mit mikroskopischen Lichtemittern auf einem einzigen haarfeinen Schaft.

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Dies erlaubt die gleichzeitige Messung und optogenetische Manipulation tiefer Hirnschaltkreise, um lokale zelluläre Autonomie aufzudecken. Quelle: Neuroscience News.

Veröffentlicht in Nature Methods ermöglicht das System Forschenden, die elektrische Aktivität überwachen, während sie gleichzeitig spezifische Zellen gezielt mit Licht aktivieren oder stilllegen können.

Entwickelt der Leitung am Allen Institute (Seattle, USA), gehört die Forschung zu einem 15-Millionen-Pfund-Projekt, das vom Wellcome Trust, dem Allen Institute und weiteren Partnern finanziert wird und die Neuropixels-Sondentechnologie untersucht.

Was die Studie zeigt

Wissenschaftler glauben, dass Neuropixels Opto unser Verständnis des Gehirns revolutionieren könnte, indem es aufdeckt, wie einzelne Neuronen in komplexen Schaltkreisen interagieren, um Verhalten, Wahrnehmung und Krankheiten zu steuern.

Mitautor Professor Matteo Carandini (UCL Institute of Ophthalmology) sagte: „Das Gehirn verarbeitet Informationen durch komplexe Muster elektrischer Aktivität, bei denen Milliarden über schnelle elektrische Signale kommunizieren.

Um zu verstehen, wie diese Signale Verhalten, Denken und Krankheiten hervorrufen, sind Werkzeuge erforderlich, die sowohl die neuronale Aktivität beobachten als auch beeinflussen können.

Was die Studie zeigt

Bisher haben Wissenschaftler sich typischerweise auf getrennte Ansätze verlassen: elektrophysiologische Sonden zur Aufzeichnung neuronaler Aktivität und Optogenetik zur Kontrolle derselben.

Die Kombination beider Methoden hat sich als herausfordernd erwiesen, insbesondere in tieferen Gehirnregionen, wo die Lichtabgabe ohne Störung empfindlicher Aufzeichnungen technisch schwierig ist." Neuropixels Opto überwindet diese Einschränkungen, indem es beide Funktionen in einer einzigen Vorrichtung integriert und so die gleichzeitige Messung und Manipulation neuronaler Schaltkreise ermöglicht.

Im Zentrum der Technologie steht eine Silizium-Sonde, die dünner ist als ein menschliches Haar und mit hunderten Aufzeichnungsstellen sowie mikroskopischen Lichtemittern ausgestattet ist.

Technik und Auswirkungen

Diese Merkmale ermöglichen es der Sonde, detaillierte elektrische Signale, die entlang ihrer Länge verteilt sind, und gleichzeitig präzise gezielte Lichtstimulation an mehreren Stellen im Gehirn auszulösen.

Professor Carandini, Professor für Visuelle Neurowissenschaften an der UCL, ergänzte: „Damit ist es erstmals möglich, direkt zu testen, wie spezifische Neuronen die Aktivität umgebender Schaltkreise beeinflussen – und so kausale Zusammenhänge zwischen neuronaler Aktivität und Gehirnfunktion aufzudecken." „Die Fähigkeit, neuronale Aktivität in einem einzigen Experiment sowohl aufzuzeichnen als auch zu steuern, stellt einen bedeutenden Fortschritt für die Neurowissenschaft dar." Die Co-Autorin, Dr.

Karolina Socha, Research Fellow am UCL Institute of Ophthalmology, nutzt diese Sonden bereits, um die Funktion der Großhirnrinde zu untersuchen – sie ist verantwortlich für viele der fortschrittlichsten Fähigkeiten des Gehirns.

Was die Studie zeigt

Sie sagt, ihre Studien an Mäusen hätten einige überraschende Beobachtungen ergeben. „Durch die selektive Aktivierung oder Störung spezifischer Neuronentypen unter gleichzeitiger Überwachung der Reaktion benachbarter Zellen können wir beginnen zu kartieren, wie verschiedene Komponenten des Gehirns zusammenarbeiten, um Verhalten zu erzeugen", so sie. „Wir waren überrascht, zu entdecken, dass die Aktivität ßhirnrinde remarkably lokalisiert sein kann.

Bislang gingen wir davon aus, dass Neuronen so stark vernetzt sind, dass es unmöglich sei, einige, ohne viele andere mit einzubeziehen." Die neuen Neuropixels-Opto-Sonden haben gezeigt, dass diese Neuronen nicht nur im Einklang, sondern auch weitgehend unabhängig voneinander arbeiten können.

Dieser Ansatz soll dazu beitragen, langjährige Fragen der Neurowissenschaften zu klären, darunter die Informationsverarbeitung über verschiedene Gehirnregionen hinweg sowie der Beitrag spezifischer neuronaler Schaltkreise zu Wahrnehmung, Lernen und Entscheidungsfindung.

Technik und Auswirkungen

Implikationen für die Erforschung könnte zudem wichtige Auswirkungen auf das Verständnis neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen haben. Viele dieser Erkrankungen, darunter Schizophrenie, Alzheimer-Krankheit und Parkinson-Krankheit, sind mit Störungen der neuronalen Kommunikation verbunden.

Durch ein klareres Bild der Funktionsweise neuronaler Schaltkreise sowohl im gesunden als auch im kranken Zustand könnte Neuropixels Opto die Entwicklung gezielterer Therapien unterstützen. Die Entwicklung Rahmen einer umfassenden Zusammenarbeit zwischen Institutionen in den USA, Großbritannien und Europa sowie mit Ingenieurpartnern.

Die Arbeit ist Teil eines umfassenderen Vorhabens zur Entwicklung fortschrittlicher Werkzeuge zur großflächigen Erforschung des Gehirns mit dem Ziel, hochauflösende, großskalige neuronale Aufzeichnungen weltweit für Forschende zugänglicher zu machen. Ein Schritt vorwärts für Werkzeuge der Neurowissenschaft.

Was die Studie zeigt

Neuropixels sind Nachfolgesilikonsonden, die wie winzige Elektroden wirken und es Wissenschaftlern ermöglichen, die elektrische Aktivität in verschiedenen Gehirnregionen aufzuzeichnen.

Durch die Anordnung 1.000 dicht beieinanderliegenden Aufzeichnungspunkten auf einer ultradünnen Sonde wird es möglich, hochauflösende Signale einzelner Gehirnzellen zu erfassen, während gleichzeitig große neuronale Netzwerke überwacht werden.

Beantwortete Schlüsselfragen: A: Weil die Ausrüstung zur Steuerung üstung zur Abhörung dieser Zellen systematisch blind machen würde.

Was die Studie zeigt

Wissenschaftler verwendeten Metall-Elektroden zur Aufzeichnung elektrischer Impulse und Optogenetik (lichtaktivierbare Proteine) zur Steuerung sich als ein enormes ingenieurtechnisches Sackgasse, Licht tief in das Hirngewege zu leiten, ohne dabei massive elektrische Störungen zu erzeugen und die empfindlichen Aufzeichnungsorte zu beeinträchtigen.

A: Durch den Einsatz modernster Mikro-Silizium-Technik wurde eine Schnittstelle entwickelt, die dünner ist als ein menschliches Haar. Die Sonde besteht aus etwa 1.000 eng beieinander angeordneten mikroskopischen Aufzeichnungsknoten, die entlang ihres ultradünnen Schafts angeordnet sind.

Direkt zwischen diesen Aufzeichnungsmodulen sind mikroskopische Lichtemitter integriert, sodass ein einziger winziger Draht gleichzeitig als hochauflösender Mikrofon und als gezielter Scheinwerfer fungieren kann. A: Es zeigte sich, dass Nervenzellen weit unabhängiger sind, als jemals angenommen wurde.

Was die Studie zeigt

Jahrzehntelang galt die wissenschaftliche Übereinstimmung darin, dass die Neuronen in unserem Großhirnrinde so eng miteinander vernetzt sind, dass die Aktivierung weniger, synchronisierten Dominoeffekt im umgebenden Netzwerk auslösen würde.

Neuropixels Opto hat nachgewiesen, dass diese Neuronen ihre Aktivität mit millimetergenauer Lokalisierung umschalten können, dabei völlig unabhängig direkt neben ruhenden Zellen operierend. Redaktionelle Hinweise: Dieser Artikel wurde News bearbeitet. Zusätzliche Kontextinformationen wurden ügt.

Über diese Neuigkeiten zur Neurotechnologie-Forschung Autor: Henry Killworth Quelle: UCL Kontakt: Henry Killworth – UCL Bild: Das Bild wird Neuroscience News zugeschrieben Originale Forschung: Zugangsbeschränkt. „Neuropixels Opto: Kombination aus hochauflösender Elektrophysiologie und Optogenetik", Karolina Z. Socha, Alexander E. Ladd, Anna J.

Technik und Auswirkungen

Bowen, Susu Chen, Jennifer Colonell, Anjal Doshi, Bill Karsh, Michael Krumin, Pavel Kulik, Anna J. Li, Pieter Neutens, John O’Callaghan, Meghan Olsen, Jan Putzeys, Charu Bai Reddy, Harrie A. C. Tilmans, Sara Vargas, Marleen Welkenhuysen, Zhiwen Ye, Michael Häusser, Christof Koch, Jonathan T. Ting, Barundeb Dutta, Timothy D. Harris, Nicholas A.

Steinmetz, Karel Svoboda, Joshua H. Siegle & Matteo Carandini.

Nature Methods DOI:10.1038/s41592-026-03076-z Neuropixels Opto: Kombination aus hochauflösender Elektrophysiologie und Optogenetik Die hochauflösende extrazelluläre Elektrophysiologie gilt als Goldstandard zur Erfassung Populationen und entfaltet ihre volle Stärke, wenn sie mit der Optogenetik kombiniert wird, um spezifische Zelltypen mit hoher zeitlicher Auflösung zu manipulieren.

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Wir haben diese Ansätze in Prototypen der Neuropixels Opto-Sonden integriert, die elektronische und photonische Schaltkreise vereinen.

Diese Geräte beherbergen 960 elektrische Aufzeichnungsstellen und zwei Sätze mit jeweils 14 Lichtemittern auf einem 70-μm breiten und 1 cm langen Schenkel, wodurch eine räumlich adressierbare optogenetische Stimulation mit blauem und rotem Licht ermöglicht wird.

In der Mausrinde lieferten die Neuropixels Opto-Sonden hochwertige Aufzeichnungen zusammen mit räumlich adressierbarer Optogenetik, wodurch Neuronen in unterschiedlichen kortikalen Tiefen selektiv aktiviert oder stillgelegt werden konnten.

Im Nucleus striatus der Maus und anderen tiefen Strukturen ermöglichten Neuropixels-Opto-Sonden eine effiziente optische Tagging-Methode, wodurch die parallele Identifizierung zweier Zelltypen erleichtert wurde. Neuropixels-Opto-Sonden stellen ein vielversprechendes Werkzeug für die Aufzeichnung, Identifizierung und Manipulation neuronaler Populationen dar.