Allen Institute dà il via alla registrazione delle onde cerebrali nell'overdrive con la sonda Neuropixels

L'Allen Institute for Brain Science di Seattle sta condividendo 70 trilioni di byte di dati che documentano l'attività elettrica nei cervelli di topo, raccolti da un nuovo tipo di sonda al silicio in grado di monitorare contemporaneamente centinaia di neuroni.
Il sistema Neuropixels, sviluppato da una collaborazione internazionale che include l'Allen Institute, potrebbe essere adattato per registrare l'attività cerebrale anche nei pazienti umani, ha affermato Josh Siegle, uno scienziato senior dell'istituto che lavora con le sonde.
"L'applicazione che mi interessa di più è la decodifica dei modelli di comunicazione del cervello e la comprensione del modo in cui le informazioni vengono trasmesse tra le regioni", ha dichiarato Siegle a GeekWire.
"Quali sono i protocolli di trasmissione?" Neuropixels ha già prodotto approfondimenti sul funzionamento interno del cervello, ha detto Siegle.
Questa settimana l'istituto pubblicherà i risultati sul server di prestampa BioRxiv che confermano i modelli gerarchici di connettività nel cervello.
L'avanzamento chiave ha a che fare con le centinaia di elettrodi incorporati nelle sonde ad ago del sistema di lettura del cervello.
Ognuna delle sei sonde sul sistema dell'istituto è sottile circa quanto un capello umano (70 micron) e misura meno di mezzo pollice (10 millimetri) di lunghezza.
Ma ogni sonda contiene 960 elettrodi che possono captare l'attività elettrica da reti di cellule cerebrali con precisione inferiore al millisecondo una volta impiantate.
Siegle ha affermato che ogni sonda può registrare più di 370 letture in qualsiasi momento.
"In precedenza, poiché gli strumenti erano limitati, stavamo registrando solo da un'area del cervello alla volta", ha detto in un comunicato stampa.
"Ma sono proprio le interazioni tra molte aree a generare percezioni e decisioni e tutte le altre azioni complesse che il nostro cervello ci consente di fare." Siegle ha affermato che il primo studio Neuropixels dell'Allen Institute si basa su più di 50 esperimenti condotti su topi.
Gli esperimenti si sono concentrati sulle interconnessioni che coinvolgono sei regioni della corteccia visiva più altre due aree del cervello, l'ippocampo e il talamo.
Grazie a Neuropixels, i ricercatori sono stati in grado di monitorare la sinfonia di impulsi elettrici che si diffondevano nel cervello mentre i topi di laboratorio elaboravano una varietà di immagini e video – inclusa la scena di apertura del film classico di Orson Welles del 1958, “Touch of Evil”.
gli stessi elementi visivi sono stati utilizzati in esperimenti precedenti per studiare l'elaborazione visiva.
"Volevamo mantenere gli stimoli il più possibile simili a quelli utilizzati nei nostri esperimenti di imaging, in modo da poter provare a effettuare il confronto il più diretto possibile tra le registrazioni di Neuropixel e i dati di imaging", ha spiegato Siegle.
Ogni esperimento ha monitorato l'attività di migliaia di neuroni, sommando un set di dati che documenta il comportamento di 100.000 cellule cerebrali.
Questa è ancora solo una piccola parte dei 75 milioni di neuroni nel cervello del topo, ma è un enorme passo avanti rispetto ai metodi di monitoraggio neurone per neurone che sono stati utilizzati in passato.
"Esistono numerosi neuroni in questo set di dati la cui attività non è mai stata vista da un occhio umano", ha affermato Christof Koch, capo scienziato e presidente dell'Allen Institute for Brain Science.
"Questi dati non hanno precedenti – e li stiamo rilasciando pubblicamente e in un formato standardizzato a chiunque sul pianeta possa usarli per la propria scoperta." Esternamente, il dispositivo Neuropixels sembra simile a un altro sistema di monitoraggio del cervello sviluppato da Neuralink, un'impresa sostenuta dal miliardario Elon Musk.
Ma Siegle ha affermato che Neuropixels è progettato per uno scopo completamente diverso.
"Neuralink ha ottimizzato la loro tecnologia per l'impianto nei pazienti chirurgici umani: persone che hanno quadriplegia e non possono muovere gli arti e hanno bisogno di un'interfaccia diretta con il cervello per poter muovere un braccio robotico e riprendere il controllo degli arti, potenzialmente ", ha detto.
"Le sonde Neuropixels sono state ottimizzate in modo specifico come dispositivo per la ricerca scientifica".
La versione odierna dei dati aggiunge anche dati trascrizionali da circa 75.000 cellule cerebrali di topo e 50.000 cellule cerebrali umane al database dei tipi di cellule Allen.
Il database per i tipi di cellule di topo ora copre completamente la corteccia cerebrale e l'ippocampo, campionando in tutto 25 diverse regioni.
"Questi dati coprono aree del cervello che, nell'uomo, svolgono ruoli in condizioni che vanno dalla malattia di Alzheimer ai disturbi psichiatrici", ha affermato Hongkui Zeng, direttore esecutivo per la scienza strutturata presso l'Allen Institute for Brain Science.
"La definizione dei tipi di cellule in queste regioni è un primo passo importante per comprendere meglio le origini delle malattie del cervello." Ma aspetta …
c'è di più: il rilascio dei dati include le prime letture da rig personalizzati "octopatch" di elettrodi che consentono ai ricercatori di monitorare i modelli elettrici da un massimo di otto neuroni alla volta.
Il metodo fornisce un'altra strada per studiare le connessioni tra i neuroni vicini.
"Questi esperimenti ci consentono di andare oltre la comprensione dei singoli tipi di cellule per comprendere i segnali che vengono trasmessi tra queste cellule, che a loro volta ci aiuteranno a definire meglio i tipi di cellule stessi", ha affermato Gabe Murphy, direttore associato di elettrofisiologia presso l'Allen Institute per Brain Science.
L'Allen Institute è stato lanciato nel 2003 con un impegno di $ 100 milioni di supporto da parte del co-fondatore di Microsoft Paul Allen.
Da allora, ha ampliato le sue operazioni di scienza aperta, grazie ai contributi aggiuntivi di Allen e al sostegno di altri donatori privati, fondazioni e agenzie governative.
Allen è morto un anno fa questa settimana, all'età di 65 anni.