Az agy, közvetlenül szilíciumchipre kötve

A telefonokban és fényképezőgépekben lévő chipek egyre sűrűbbek és olcsóbbak. Az agyi aktivitást rögzítő eszközök nem tartottak lépést velük. Ha több idegsejtről akarunk felvételt készíteni, az általában több vezetéket, több csatlakozót és több erősítőt jelent, és minden lépés növeli a méretet, a költséget és a mérnöki ráfordítást.

A Frontiers in Neuroscience folyóiratban 2020-ban megjelent tanulmány más utat javasolt.^[1] Ahelyett, hogy minden új agyi elvezetéses kísérlethez új chipet terveztek volna, a kutatók meglévő, tömeggyártott erősítőchipeket használtak, és ezeket nagyon vékony, üvegbevonatú huzalokból álló kötegeken keresztül kapcsolták az agyhoz. A megközelítést CHIME-nak nevezték el, a CMOS-Hosted in vivo MicroElectrodes kifejezés rövidítéseként.

A méretnövelés problémája

Az elektromos elvezetés a leggyorsabb módja az agyi aktivitás követésének: megragadja az egyes idegimpulzusokat, azaz tüskéket (spike-okat), amelyek körülbelül egy ezredmásodpercig tartanak. Az eddigi legnagyobb elektromos felvételek főként szilíciumszondákra támaszkodnak: ezek vékony nyelek, amelyeken sorokban helyezkednek el az érintkezők.

A tanulmány bemutatja, miért nehéz ezeket méretben növelni.^[1] A szilíciumnyélen a felvételi pontok egyetlen vonal mentén ülnek, miközben sok alaposan tanulmányozott agyterület – köztük az agykéreg, a hippokampusz és a szaglógumó – vízszintes rétegekbe szerveződik, amelyekből a legjobb széles területen mintát venni. Ha sok nyelet zsúfolunk szorosan egymás mellé, az károsítja a szövetet. Ráadásul minden új, egyedi chipterv ellenőrzése és legyártása sok időt vesz igénybe.

A CMOS-technológiával – a modern mikrochipek szabványos gyártási eljárásával – készült lapos felvevő chipek agyszeletek és sejttenyészetek vizsgálatában már több tízezer csatornáig jutottak. Ezek a chipek azonban laposak, az élő agy viszont nem az. A CHIME-ot arra tervezték, hogy hozzáadja a hiányzó harmadik dimenziót.

Kilométerszám gyártott huzalok

A huzalokat olyan eljárással állítják elő, amelyben az olvadt fémet üvegben, folytonos szállá húzzák.^[1] Az eredmény egy hajlékony szál vezető fémmaggal és sima üvegbevonattal, amely több száz méteres hosszban készül. Az e tanulmányban bemutatott felvételekhez használt szálak 22–25 mikrométer átmérőjűek voltak, 1–7 mikrométeres fémmaggal.

Mivel a szálak hajlékonyak, gépi úton kötegekbe tekerhetők, nagyjából úgy, mint a cérna az orsóra. A csoport 100–1000 huzalból álló kötegeket készített. A kötegeket kemény műanyagba ágyazták, a két végüket pedig eltérően kezelték:

• A chip felőli végét síkra polírozták, és minden szabadon álló fémmagra elektrokémiai leválasztással kis, félgömb alakú aranydudorokat növesztettek. A nagyobb érintkezők valószínűbbé teszik a megbízható kapcsolatot, amikor a köteget a chipre nyomják.
• A szövet felőli végét 30 fokos szögben polírozták, hogy minden huzal hegyes véget kapjon, majd kiszabadították a beágyazásból, hogy az egyes huzalok utolsó pár millimétere egymástól függetlenül mozoghasson. A huzalvégeket a felvétel javítása érdekében elektrokémiai bevonattal látták el, ahogy azt a kapcsolódó jULIEs-munka leírja.^[2]

Egy köteg a chipre nyomva

A kulcsgondolat az, hogy elmarad az egyenkénti bekötés. A köteg polírozott, chip felőli végét egyszerűen rányomják az erősítőpixelek rácsára.^[1] Mivel a chipen jóval több pixel van, mint ahány huzal a kötegben, és a huzalok egymástól több mint 100 mikrométerre vannak, minden huzal nagy valószínűséggel legalább egy pixelre rákerül, gondos illesztés nélkül is. A huzallal érintkező pixeleket utólag, a jeleik alapján lehet azonosítani.

A csoport ezt két nagyon különböző chippel próbálta ki:

• Egy kutatási MEA-chip (MEA1k) 26 400 felvevő pixellel, amelyek közül 1024 választható ki és rögzíthető egyszerre. Ez lehetővé teszi, hogy csak a huzalokhoz kapcsolódó pixelekről készüljön felvétel.
• Egy infravörös kamera kiolvasó chipje (Xenics Cheetah 640CL), amelyet fényérzékeny réteg nélkül szállítottak. 327 680 erősítőt tartalmaz, és kis pixelablak esetén akár 200 kHz-es, teljes képkocka esetén 1,7 kHz-es képfrekvenciával rögzít. Az agyi felvétel videófolyamként készül, a feszültséggörbéket utólag nyerik ki a csatlakoztatott pixelekből.

Mennyire tiszta a jel?

Egy hosszú, vékony huzal mentén a gyenge jel nagy része elveszhet. A tanulmányban megmérték, mekkora elektromos csatolás szivárog a huzalból a környező folyadékba, és ezt nagyon alacsonynak találták – huzalmilliméterenként 80 femtofarad alattinak –, mert az üvegbevonat vastag a fémmaghoz képest.^[1]

A sóoldatban mért zaj az MEA-chipen 24,2 ± 7,7 mikrovolt (RMS), a kamera chipjén 58,2 ± 21,5 mikrovolt volt. A 150–500 mikrovoltos tüskékre – amelyeket a szerzők megbízhatóan rögzítettek az egér agyában – ez 6–20-as, illetve 2,5–9-es jel-zaj viszonyt jelent. Miután eltávolították a csatornák között közös zajt, az MEA-chipen a maradék zaj 6,5 ± 2,6 mikrovoltra csökkent, ami a szerzők szerint arra utal, hogy árnyékolással tovább csökkenthető lehetne.

Felvétel az agyban

A csoport altatott egerek szaglógumójából – az agy első szaglási átkapcsolóállomásából – végzett elvezetéseket.^[1] Az MEA-chippel és 200 huzalos kötegekkel hét kísérletben átlagosan 156 ± 36 pixel kapcsolódott jó jelminőséggel. A felvétel közvetlenül a köteg bevezetése után indult. Az egyes mérések 23 perctől 2 óráig tartottak.

Mindkét chip rögzítette az egyes idegsejtek tüskéit. A kamera chipje az erősítőinek jelszűrése miatt kisebb lassú hullámokat (lokális mezőpotenciálokat) vett fel, de a jól elkülönülő, egyetlen idegsejttől származó tüskéket így is fel tudta bontani. Egy kísérletben az MEA-chip 86 csatornája rögzített tüskéket egy egymásodperces szaginger körül.

A huzalok kihajlás nélkül hatoltak be az agykéregbe, ami összhangban van a szerzők becslésével, miszerint ennek a huzalnak egy milliméteres szakasza körülbelül 300 mikronewton erőt bír el, mielőtt elhajlik. A kötegekről a koponyán belül röntgen-komputertomográfiás felvételek is készültek, amelyeken az egyes huzalok kivehetők voltak, így a felvételi pontok az anatómiához viszonyítva lokalizálhatók.

A szövetkárosodást a kapcsolódó vizsgálatokra hivatkozva tárgyalták. A szerzők megjegyzik, hogy bár a huzalokat gyorsan vezették be (másodpercenként 100 mikrométeres vagy nagyobb sebességgel), a jelek a felvétel kezdetétől stabilak voltak, és nem mutatták azt a jelminőség-romlást, amelyet egy elektróda bevezetését követő első 40–60 percben gyakran leírnak, és amelyet általában a helyi szöveti zavarnak tulajdonítanak.

Mit mutat és mit nem mutat ez a munka

• Amit bemutattak. Az üvegbevonatú mikrohuzal-kötegek közvetlenül csatlakoztathatók két különböző, kereskedelmi forgalomban kapható CMOS-erősítőchiphez, és felhasználhatók egyedi idegsejtek aktivitásának rögzítésére egér agyában úgy, hogy a huzalok többsége működő kapcsolatot létesít.^[1]
• Amit nem vizsgáltak. Minden felvétel akut volt, fejrögzített állatokon. A szerzők azt írják, hogy a felvételek több mint 40 percen át stabilak maradtak, de a napoktól hónapokig tartó krónikus elvezetésekhez további szövettani és funkcionális vizsgálatok szükségesek.
• Ami ez a munka. A CHIME módszer és architektúra, nem kész eszköz. A tanulmány olyan útként mutatja be, amely összekapcsolhatja az idegi jelrögzítést a chipipar gyors fejlődésével.

Miért fontos?

Az agy–számítógép interfészek és a nagy léptékű idegtudományi kutatás szempontjából a vonzerő a modularitás. Az elektródaköteg és az elektronika külön készül, és nyomással kapcsolódik össze, így bármelyik rész továbbfejleszthető vagy kicserélhető a másik újratervezése nélkül. A szerzők megjegyzik, hogy ugyanez a megközelítés más CMOS-mátrixokra is kiterjeszthető lenne, például elektromos ingerlést leadó chipekre.

Ugyanezen együttműködés Science Advances folyóiratban megjelent társtanulmánya több ezer huzalra növelte a kötegeket, és ébren lévő, mozgó egerekben végzett elvezetéseket.^[3] Olvassa el a tanulmányról szóló útmutatónkat.

Kik végezték a munkát

Mihaly Kollo, Romeo Racz, Mina-Elraheb Hanna és Abdulmalik Obaid egyenlő mértékben járultak hozzá a munkához, megosztott első szerzőként; további szerzők Matthew R. Angle, William Wray, Yifan Kong, Jan Müller és Andreas Hierlemann. Nicholas A. Melosh és Andreas T. Schaefer megosztott vezető szerzők. A munkában a Francis Crick Institute és a University College London, a Stanford University, a Paradromics Inc., az ETH Zürich és a MaxWell Biosystems működött együtt.^[1]

A tanulmány szerzői hozzájárulásokról szóló része szerint a koncepciót és a tervezést Kollo, Racz, Hanna, Obaid, Angle, Schaefer és Melosh kezdeményezte; a kísérleteket, az adatgyűjtést és az elemzést Kollo, Racz és Wray végezte.

Összeférhetetlenség – a tanulmányban tett nyilatkozat szerint. Több szerző a Paradromics, Inc. nevű, agy–számítógép interfészekkel foglalkozó vállalat alkalmazottja és/vagy részvényese, egy szerző pedig a MaxWell Biosystems AG társalapítója. A kéziratot először preprintként tették közzé a bioRxiv-en.

A tanulmány szerint minden állatkísérletet jóváhagyott a helyi etikai bizottság és az Egyesült Királyság belügyminisztériuma (Home Office) az Animals (Scientific Procedures) Act 1986 alapján.