Ученые используют зонд тоньше волоса для «мониторинга» человеческого мозга

Аннотация:

Согласно сообщению журнала Nature от 2 ноября, сверхтонкие нейронные зонды, называемые нейропикселями, меняют способ изучения мозга учеными. Это устройство, тоньше человеческого волоса, может регистрировать электрическую активность сотен нейронов одновременно, позволяя исследователям наблюдать процесс обработки информации внутри мозга с беспрецедентной точностью. В настоящее время эта технология постепенно проникла в исследования человеческого мозга в результате экспериментов на животных.

В операционной лондонской больницы ученые пытаются «прослушать» непосредственно человеческий мозг.

Пациентка перенесла шунтирующую операцию по поводу гидроцефалии нормального давления в Национальной больнице неврологии и нейрохирургии в Лондоне, Великобритания. Во время операции она согласилась участвовать в специальном эксперименте: врач ненадолго ввел в мозг зонд Neuropixels длиной около 1 сантиметра и тоньше волоса, чтобы в реальном времени записывать электрические сигналы нейронов.

Затем исследователи проигрывали пациентам ряд слов, в том числе «слепое пятно», «место для парковки» и «копилка», чтобы увидеть, как мозг обрабатывает переходы между разными словами и как частота и узнаваемость слов влияют на нейронную активность.

Когда в операционной раздался звук, форма нервного сигнала на экране мониторинга значительно изменилась. Это означает, что исследователи смогли с помощью зондов зафиксировать реакцию человеческого мозга на внешнюю языковую стимуляцию в режиме реального времени.

В прошлом, хотя ученые могли использовать электроэнцефалографию или имплантированные электроды для мониторинга активности человеческого мозга, они часто могли получать только сигналы, вырабатываемые большим количеством нейронов, что затрудняло различение того, что делают отдельные нейроны.

Пьер Бурдиллон, нейрохирург из больницы Фонда Ротшильдов в Париже, Франция, использовал яркую метафору, чтобы объяснить прорыв этой технологии.

Традиционный ЭЭГ-мониторинг похож на размещение микрофона на оживленном перекрестке и попытку отличить разговор каждого человека от нагромождения звуков. Нейропиксели ближе к установке микрофонов на ошейнике каждого человека, чтобы слышать голоса разных людей.

"Мы только начинаем приближаться к тому моменту, когда у нас будут индивидуальные микрофоны для каждого", - сказал он.

Ключевым прорывом этой технологии является то, что она позволяет ученым наблюдать активность большого количества отдельных нейронов одновременно.

Нейропиксели были впервые запущены в 2017 году и разработаны в сотрудничестве с такими учреждениями, как Медицинский институт Говарда Хьюза, исследовательский парк Джанелия в США и Бельгийский исследовательский центр микроэлектроники (Imec).

Зонд Neuropixels первого поколения имеет 960 мест записи, 384 из которых могут считывать сигналы одновременно. Его кремниевый корпус зонда тоньше волоса и соединен с чипом размером с нано-SIM-карту, который отвечает за считывание, усиление и оцифровку нейронных сигналов.

В ходе ранних экспериментов на животных ученые имплантировали два зонда в мозг мышей и успешно зарегистрировали около 700 нейронов, распределенных в 5 областях мозга одновременно.

Neuropixels 2.0, выпущенный в 2021 году, еще больше улучшает возможности записи: 5120 мест записи, 1536 из которых можно считывать одновременно, а устройство стало легче.

Используя технологии нового поколения, учёные смогли одновременно записывать десятки тысяч нейронов в мозгу мышей, а в некоторых экспериментах отслеживать их в течение нескольких месяцев.

Это означает, что исследователи больше не могут только наблюдать за активностью локальной области мозга, но вместо этого могут изучать, как различные области мозга работают вместе.

В 2025 году международное совместное исследование дало более масштабные результаты.

Двенадцать лабораторий из США и Европы совместно провели исследование с использованием технологии Neuropixels для записи активности более 620 000 нейронов в 279 областях мозга у 139 мышей и построения карты нейронной активности всего мозга, включающей такие функции, как зрение, движение и принятие решений.

Исследования показали, что

нейронные сигналы, связанные с ощущениями, познанием и движением, могут быть более широко распространены в мозге, чем считалось ранее.

Сегодня нейропиксели используются около 1700 лабораториями по всему миру, а объектами исследований являются более 20 животных, в том числе мыши, зебры, бородатые драцены и даже осьминоги.

В исследованиях на приматах эта технология также привела к значительным изменениям.

Тирин Мур, нейробиолог из Стэнфордского университета, рассказала, что до появления нейропикселей исследователи обычно могли регистрировать активность только около 20 нейронов приматов в день, даже если их эксперименты проходили хорошо. Сегодня они могут регулярно записывать данные как минимум со 100 нейронов.

Мур считает, что без таких инструментов исследования в области нейробиологии приматов останутся строго ограниченными.

В настоящее время исследовательская группа Стэнфордского университета планирует использовать нейропиксели для построения карт нейронной активности зрительной системы макак с высоким разрешением, чтобы лучше понять, как мозг обрабатывает визуальную информацию.

Стоит отметить, что

Нейропиксели — это не совсем то же самое, что имплантируемые устройства для приложений интерфейса мозг-компьютер.

В настоящее время его основное применение — фундаментальные нейробиологические исследования, помогающие ученым понять такие процессы, как ощущение, движение, познание и принятие решений, путем записи активности нейронов. Хотя соответствующие исследования могут стать основой для будущих технологий интерфейса мозг-компьютер и исследований неврологических заболеваний, это не означает, что Neuropixels обладает зрелыми возможностями клинического лечения.

В «Природе» отметили, что «Нейропиксели» выводят нейробиологию на новый этап: ученые смогут не только наблюдать, активны ли разные области мозга, но и дополнительно изучать, как отдельные нейроны участвуют в сложной обработке информации.

От мышей до приматов и операционных залов для людей — этот зонд толщиной с волос помогает ученым исследовать механизм работы человеческого мозга с более высокой точностью.