NEUROPIXELS 2.0

Toptechnologie uit Leuven opent nieuwe mogelijkheden voor hersenwetenschappers

16 april 2021 - Onderzoek

Een nieuwe generatie miniatuurprobes kan individuele zenuwcellen bij muizen gedurende weken - en zelfs maanden volgen. De nieuwe probes bouwen voort op het succes van de originele Neuropixels-probes die in 2017 gelanceerd werden en intussen in meer dan 400 laboratoria wereldwijd worden gebruikt. De nieuwe probes zijn veel kleiner - ongeveer een derde van de grootte van hun voorganger. Ze zijn ontworpen om de elektrische activiteit van nóg meer individuele zenuwcellen te kunnen registreren en kunnen die activiteit nu ook gedurende langere perioden opvolgen. In de laatste editie van het gerenommeerde vakblad Science meldt het internationale team van onderzoekers dat de nieuwe probes daarom enorm nuttig kunnen zijn om hersenprocessen zoals leren en geheugen bij kleine dieren zoals muizen te bestuderen.

Om de complexe informatieverwerking in onze hersenen te kunnen meten en begrijpen, willen onderzoekers de activiteit van zo veel mogelijk individuele zenuwcellen volgen, niet alleen op korte termijn (milliseconden) maar ook over veel langere perioden van weken of zelfs maanden.

Een welbepaalde zenuwcel monitoren over zo’n langere perioden is niet eenvoudig, onder meer omdat hersenen vanzelfsprekend een klein beetje bewegen wanneer dieren bewegen. Om dit probleem te omzeilen ontwikkelde een team van ingenieurs en onderzoekers uit de VS, het VK, Portugal en België, een nieuwe generatie hersenprobes: Neuropixels 2.0.

Neural Probe Gen 1 Vs Gen 2

Deze nieuwste versie heeft niet alleen meer opnamekanalen, maar door een nieuw design staan ze ook dichter bij elkaar en zijn daardoor beter op elkaar afgestemd. En waar de originele Neuropixels-sondes uit 2017 bestonden uit één smal filament dat in de hersenen wordt ingebracht, heeft de nieuwe versie er vier. Dat betekent dat de activiteit over een groter hersengebied gemeten kan worden, wat de opnames ten goede komt, vooral om activiteit te meten in dunne lagen in de hersenen.

Naast de wijzigingen in het ontwerp is Neuropixels 2.0 het resultaat van een aantal belangrijke technische innovaties. De wetenschappers en ingenieurs in het internationale consortium vonden manieren om de probes te verkleinen zonder daarbij aan opnamecapaciteit in te boeten. Ze sleutelden bovendien ook aan de gegevensverwerking.

Sh Cagatay Aydin Cropped 300 340 C1

Daardoor kunnen onderzoekers nu tegelijkertijd de activiteit van duizenden zenuwcellen in de hersenen van dieren vastleggen en veel van die zenuwcellen ook in de loop van de tijd volgen – een record: “Met de nieuwe probes meten we hersenactiviteit op meer dan 6000 opnamesites - meer dan twee keer zoveel als elke andere beschikbare technologie", zegt Dr. Cagatay Aydin, postdoctoraal wetenschapper in het lab van prof. Sebastian Haesler aan Neuroelectronics Research Flanders (NERF). “We ontwikkelden ook 3D-geprinte armaturen die toelaten om de nieuwe probes te gebruiken in tal van experimentele setups.”

De probes worden gemaakt hier in ons land, door het nano-elektronica onderzoekscentrum imec. Barun Dutta, Chief Scientist bij imec, onderstreept dat imecs gepatenteerde geïntegreerde CMOS-technologieplatform hierbij een cruciale rol speelt: “Dit unieke platform maakte het mogelijk om zowel de kleine vormfactor, hoge dichtheid en stabiliteit op de lange termijn te combineren, allemaal belangrijke parameters om doorbraken in de neurowetenschappen mogelijk te maken.”

Prototypes van de nieuwste versie worden momenteel getest door neurowetenschappers in laboratoria over de hele wereld en worden aangepast en verfijnd op basis van de ervaringen van gebruikers. Het consortium hoopt dat de sondes in 2022 klaar zullen zijn voor uitrol wereldwijd.

Steinmetz, Aydin, Lebedeva, Okun, Pachitariu et al. Science
Neuropixels 2.0: A miniaturized high-density probe for stable, long-term brain recordings. Science
Het Neuropixels 2.0-consortium wordt geleid door Tim Harris van de Janelia Research Campus van het Howard Hughes Medical Institute en omvat wetenschappers van University College London (UCL), de Norwegian University for Science and Technology (NTNU) in Trondheim, Noorwegen, Neuroelectronics Research Flanders (NERF) in Leuven, België, en het Champalimaud Center for the Unknown in Lissabon, Portugal.