Door het opkomende gebied van optogenetica, een technologie waarmee genetisch gemodificeerde neuronen in levend weefsel nauwkeurig kunnen worden aangestuurd door middel van licht, wetenschappers proberen een beter begrip te krijgen van hoe de hersenen werken in de hoop genezing te vinden voor slopende neurale aandoeningen zoals posttraumatische stressstoornis (PTSS) en de ziekte van Alzheimer.

Een ingenieur van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), samen met onderzoekers van de University of Michigan en New York University (NYU), hebben een grote stap voorwaarts gezet in het mogelijk maken van "veelkleurige" optogenetische controle van verschillende neurontypes. Het team, inclusief LLNL's Komal Kampasi, ontwikkelde een nieuw op silicium gebaseerd neuraal implantaat dat de elektrische activiteit van hersencellen kan regelen door veelkleurig licht in de hersenen van wakkere muizen te schijnen. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurmicrosystemen en nano-engineering en verscheen op de cover van juni van het tijdschrift.

De hoofdauteur van de krant, Kampasi deed haar werk als promovendus aan de Universiteit van Michigan. Ze zei dat de technologie nieuwe wegen opent voor ondervraging van neurale circuits. wat wetenschappers zal helpen de organisatie en functie van complexe neurale circuits beter te begrijpen.

"Terwijl het meeste onderzoek op het gebied van optogenetica zich heeft gericht op het manipuleren van één neurontype tegelijk door eenkleurig licht te leveren, onze technologie biedt een veelkleurige, vezelloze oplossing voor het beheersen van twee of meer ruimtelijk vermengde neuronale populaties, " legde Kampasi uit. "Dit is een grote stap voorwaarts in de optogenetica omdat neurowetenschappers nu verschillende soorten neuronen op lokaal circuitniveau kunnen manipuleren en tegelijkertijd hoogwaardige, geluidsarme elektrische gegevens van die cellen."

Kampasi, die het apparaat een "technische mijlpaal noemde, " voegde eraan toe dat het ontwerp van haar teams het gebruik van omvangrijke, invasieve optische vezels door micro-lasers en golfgeleiders aan boord te integreren om veelkleurig licht te leveren, waardoor het platform veel compacter is, schaalbaar en minder invasief met behoud van de optische, thermische en elektrische apparaatkenmerken die nodig zijn voor een neuraal implantaat.

De National Institutes of Health (NIH) financierde de driejarige studie als onderdeel van het White House BRAIN-initiatief - een publiek-private samenwerkingsinspanning om een ​​revolutie teweeg te brengen in het begrip van het menselijk brein. Het richtte zich op de ontwikkeling van geavanceerde neurotechnologieën om dichtere en diepere hersengebieden te bestuderen, zoals de hippocampus, het deel van de hersenen dat verantwoordelijk is voor het maken en bewaren van herinneringen. Het Kampasi-team, onder leiding van professor Euisik Yoon van de Universiteit van Michigan, ontwikkelde de veelkleurige neurale opto-elektrode, die werd geïmplanteerd in de hersenen van muizen door Gyorgy Buzsaki's team van neurowetenschappers aan de NYU. Het team van Buzsaki wilde begrijpen hoe herinneringen worden gevormd en gewist door de interactie tussen verschillende celtypen in de hippocampus te bestuderen.

"We wilden weten of we de piekactiviteit van dicht vermengde neurontypen in de hippocampus van muizen precies konden beheersen; we waren extatisch om te zien dat we dat kunnen, "Zei Kampasi. "Zo'n vermogen om meerdere celtypen te manipuleren, gelijktijdig en onafhankelijk, op een specifieke circuitlocatie is van cruciaal belang voor het begrijpen van de wisselwerking tussen verschillende soorten neuronen en vormt een belangrijke weg in de toekomst van neurowetenschappelijk onderzoek."

Een van de huidige doelstellingen van Kampasi is om de technologie toe te passen op de unieke flexibele, dunne film neurale sondes. De elektrode-arrays van LLNL zijn onlangs in verschillende onderzoeken gebruikt om hersenactiviteit vast te leggen en te stimuleren en hebben een lange levensduur aangetoond. Integratie van ingebouwde flexibele optica op de apparaten van LLNL zal de mogelijkheden van bestaande neurale sondearrays aanzienlijk verbeteren en nieuwe studies mogelijk maken die voorheen niet mogelijk waren, aldus onderzoekers.

"Door deze ultramoderne optische stimulatiecapaciteit te combineren met Livermore's flexibele neurale sondetechnologie, die uitzonderlijke stabiliteit en levensduur vertoont, werken we aan de ontwikkeling van een eerste in zijn soort, flexibele opto-elektrode-arrays op basis van polymeren, " zei Shankar Sundaram, directeur van het Bioengineering Center van LLNL. "Dit, in combinatie met de elektrofysiologische opnames met hoge dichtheid, belooft nieuw licht te werpen op de werking van de hersenen."