Figyelni az idegsejtekre – anélkül, hogy kiszorítanánk őket

Az agyi aktivitás minden mérése kompromisszummal kezdődik. Ahhoz, hogy halljuk, mit „mond” egy idegsejt, közel kell vinnünk hozzá egy érzékelőt. Az agy azonban puha, sűrűn huzalozott, és apró erek hálózzák be – bármit tolunk bele, az olyan helyet foglal el, amely korábban élő szöveté volt.

A Journal of Neural Engineering folyóiratban 2022-ben megjelent tanulmány célja az volt, hogy ezt a kompromisszumot kevésbé tegye költségessé.^[1] A főként a londoni Francis Crick Institute-ban dolgozó kutatócsoport németországi és más együttműködő partnerekkel folyamatos eljárással húzott üveg–fém szálakból épített elektródákat, a szálak hegyét pedig nanostrukturált bevonattal látta el. Az elektródák a jULIEs nevet kapták. A cikk szerint egereken végzett kísérletekben ezek a szálak egyes idegsejtek elektromos aktivitását rögzítették, ingerelték is a sejteket, és mindezt a környező szövet alig kimutatható károsításával tették.

Miért számít a méret

Az idegsejtek együttműködésének vizsgálatára a legelterjedtebb módszer az, hogy elektromos jeleiket a sejteken kívülről rögzítik, finom fémkontaktusokkal, úgynevezett extracelluláris elektródákkal. Ezek a jelek gyorsak. Az idegsejtek ezredmásodperces vagy annál is rövidebb időskálán hangolják össze működésüket, és éppen ennek az időzítésnek a megragadása teszi az elektródákat olyan hatékony eszközzé az idegtudomány és az agy–számítógép interfészek (BCI-k) számára.

A nehézség az, hogy a szondák károsítják azt, amit mérnek. A cikk áttekinti azokat a korábbi eredményeket, amelyek szerint számos szondatípusnál mind az azonnali szövetkárosodás, mind a hosszú távú állapotromlás szorosan összefügg a szonda átmérőjével.^[1] A kézenfekvő megoldás a vékonyabb szonda. A vékonyabb szonda azonban általában vagy kevesebb elvezetési csatornát, vagy kisebb fémkontaktusokat jelent, a kisebb kontaktus pedig gyengébben csatolódik a körülötte lévő halvány elektromos jelekhez. A jel összezsugorodik, a zaj megnő.

A jULIE-ket arra tervezték, hogy feloldják ezt az ellentmondást: a szonda maradjon nagyon vékony, az elektromos csatolást pedig a hegyen alkalmazott kémia javítsa.

A hajszálnál vékonyabb szál előállítása

A szálakat egy először 1931-ben szabadalmaztatott, itt továbbfejlesztett módszerrel készítik: egy fémrudat üvegcsőbe helyeznek, az egészet indukciós hevítéssel 850 és 1000 °C közé melegítik, majd az olvadt, fémmagos üvegszálat kihúzzák, és percenként mintegy két kilométeres sebességgel egy dobra tekercselik.^[1] A húzási körülmények változtatásával a csapat a fémmag átmérőjét nagyjából 1 és 10 mikrométer között, az üvegbevonat vastagságát pedig legfeljebb 15 mikrométerig tudta beállítani. Az egyes szálak 10 méternél hosszabb, folytonos darabokban készülhettek.

A mikroszkópos mérések szerint az üvegfelület rendkívül sima, nanométeres léptékben is sík. Ez azért fontos, mert a sima szár átsiklik a szöveten, ahelyett hogy beleakadna.

A szálakat ezután kötegbe fogták, oldható gyantába ágyazták, egyszerre 30 fokos éles hegyűre csiszolták, majd ismét kiszabadították. Végül kis áramköri lapokhoz rögzítették őket, így 16, 32 vagy 128 csatornás szondák készültek. A szerzők beszámolója szerint egy szabványos, 16 csatornás szonda megépítése és jellemzése körülbelül 150 percig tartott, ami egy tetród – egy klasszikus, kézzel épített elektróda – elkészítésével összemérhető.

Hogyan tanítsunk meg „hallani” egy apró hegyet

A szál kihegyezésekor a végén csak egy kis fémkorong válik szabaddá, amelynek területe legfeljebb néhány tíz négyzetmikrométer. Egy ilyen kicsi kontaktus impedanciája az idegsejtek rögzítésére használt frekvenciákon nagyon magas, ami gyengíti a jelet és növeli a zajt.^[1]

A csapat megoldása az volt, hogy a hegyre érdes, szivacsszerű szerkezetet növesztett, így annak felülete sokszorosára nőtt anélkül, hogy a hegy számottevően szélesebb lett volna. Ezt két elektrokémiai lépésben érték el. Először réteges aranynanostruktúrákat választottak le a csupasz fémre. Ezután ezeket egy körülbelül 20 nanométer vastag irídium-oxid-filmmel vonták be – ezt az anyagot régóta használják elvezető és ingerlő elektródákon.

Az aranyrétegnek van egy második előnye is. Elzárja a magban lévő fémet a szövettől, így a mag elvben olyan fémekből is készülhet, amelyeket annak alapján választanak ki, hogy mennyire jól húzhatók finom szállá, nem pedig aszerint, hogyan viselkednek a szervezetben.

Az eredmény az impedancia jelentős csökkenése lett. Az idegi tüskék szempontjából releváns 1 kHz-es frekvencián mérve a kombinált bevonat akár két nagyságrenddel, nagyjából 100 kiloohmra csökkentette az impedanciát a csupasz hegy több tíz megaohmos kiindulási értékéről.^[1] A bevonatok tartósnak is bizonyultak: kibírták a mély agyi struktúrákba történő beszúrást, és egymillió ingerlő impulzus után az impedancia körülbelül 200-ról körülbelül 800 kiloohmra változott, ami a szerzők megjegyzése szerint még bőven a rögzítéshez használható tartományon belül van.

Észreveszi-e az agy?

A tanulmány legfigyelemreméltóbb része az, ami a szövettel történt.

Altatott egerek szaglógumójában kétfoton-mikroszkópiával a csapat figyelte, ahogy egy fluoreszcensen jelölt szálat az agyba tolnak, miközben az ereket is megjelölték. A cikk leírása szerint a hajszálerek a szál körül meghajlottak és végigcsúsztak a felületén, anélkül hogy a szál magával húzta vagy láthatóan felszakította volna őket.^[1]

Ezután közvetlenül vizsgálták a vér–agy gátat. Egy vérfehérjéhez kötődő, normál esetben a gáton át nem jutó kék festéket juttattak a véráramba, mielőtt a szondát beszúrták. Egy szabványos szilíciumszonda körül a festék kiszivárgott a szövetbe, a sejtmagok pedig a szonda téglalap keresztmetszetű szára körül elmozdultak és megritkultak. Egy háromszálas jULIE-szonda körül a szerzők nem mutattak ki szivárgást, és a sejtsűrűség zavartalannak tűnt.

A működés is ugyanezt mutatta. A szerzők korábbi munkákra hivatkozva megjegyzik, hogy szilíciumszondák gyors beszúrása után az idegi aktivitás jellemzően akár mintegy 45 percig is elnyomott marad.^[2] A jULIE-kkel egyes idegsejtek aktivitása azonnal rögzíthető volt, a felszíni rétegektől lefelé. Egyes tüskék meghaladták az 1 millivoltot – ez a méret a szerzők megjegyzése szerint arra utal, hogy a hegy nagyon közel volt egy ép idegsejthez. Amikor egy szálat többször áttoltak egy idegsejt mellett, majd visszahúzták, ugyanaz az aktivitás ugyanazon a ponton újra megjelent.

Milyen közel a közel?

Annak becslésére, hogy a hegy milyen közel jutott a rögzített idegsejtekhez, a csapat egy mitrálsejt – a szaglógumó egyik fő idegsejttípusa – részletes számítógépes modellje körül szimulálta az elektromos teret. A modell szerint az, ahogyan egy tüske nagysága növekszik, majd csökken, miközben az elektróda elhalad egy sejt mellett, elárulja, milyen messze van a sejt. Ezt a valódi felvételekre alkalmazva arra jutottak, hogy a stabil felvételek akár körülbelül 10 mikrométerre is készültek az idegsejtnek attól a részétől, ahol a tüskék keletkeznek.^[1]

Visszabeszélni: ingerlés

A rögzítés csak az egyik fele egy kétirányú interfésznek. Az irídium-oxid-bevonat képes töltést tárolni és leadni, márpedig erre van szüksége egy elektródának ahhoz, hogy sejteket ingereljen.

Ennek vizsgálatára a csapat olyan egereket használt, amelyek szaglógumójában az idegsejtek aktivitáskor világítanak, és egyetlen jULIE-szálon keresztül áramimpulzusokat vezetett, miközben a környező sejtekről képeket készített. Az áramerősség növelésével a sejtek egyre erősebben reagáltak, és 50 mikroampernél a hegy közelében lévő sejtek többsége válaszolt.^[1] A hegy elektromos tulajdonságai 200 000 impulzuson át stabilak maradtak, egymillió impulzus után pedig az impedancia csak három-négyszeresére nőtt, így ugyanaz a szonda továbbra is használható volt rögzítésre.

Az agyhoz igazított szonda

A szilíciumszondákat chipgyártási módszerekkel készítik, ezért elvezetési pontjaik általában egy lapos szár mentén helyezkednek el, és az elrendezés megváltoztatása komoly mérnöki munkát igényel. Mivel minden jULIE önálló szál, a csapat egyedi két- és háromdimenziós mintázatokba rendezhette őket – a szálak akár 50 mikrométerre is lehettek egymástól –, hogy illeszkedjenek a vizsgált anatómiához.^[1]

Ezt két érzékszervi területen mutatták be.

Hallás. Az alsó ikertestben (colliculus inferior), a középagy egyik hangfeldolgozó csomópontjában a különböző mélységek különböző hangmagasságokra reagálnak. A csapat egy egymásra rétegzett, lépcső alakú szondát épített, amely ezt az elrendezést követi. Minden elvezetési pont a saját preferált hangjára hangolt idegsejteket érzékelte, és a szonda már a felszín alatt mindössze körülbelül 40 mikrométerre is tiszta, hangolt válaszokat rögzített – a szerzők megjegyzése szerint ebből a rétegből általában nehéz felvételt készíteni.

Látás. A látókéregben a csapat 16 szálat helyezett el egyetlen sorban, egymástól 50 mikrométerre, az 5. réteg mélységében. Ezeket a felvételeket egy 16 csatornás szilíciumszondával, hasonló körülmények között készült külön felvételekkel vetették össze. A jULIE-k háttérzaja alacsonyabb volt – ebben a kísérletben körülbelül 3,8 mikrovolt, szemben a szilíciumszonda nagyjából 12,9 mikrovoltjával –, miközben az általuk rögzített tüskék nagysága és az idegsejteknek a mozgó csíkok irányára vonatkozó preferenciája a kettő között statisztikailag hasonló volt.^[1]

A mélybe. Végül egy 16 szálas szondát lépésről lépésre engedtek le a látó- és a szomatoszenzoros kérgen, a hippokampuszon és a talamuszon át egészen a hipotalamuszig. Minden mélységben stabil idegi aktivitást rögzítettek, egészen az agykéreg felszíne alatti több mint 6 milliméterig.

Mit mutat és mit nem mutat ez a munka

Érdemes pontosan meghatározni, mire terjed ki ez a kutatás.

• Amit kimutattak. Altatott egereken végzett akut kísérletekben a jULIE-k sok agyterületen és mélységben, alacsony zaj mellett rögzítették egyes idegsejtek aktivitását, ingerelték az idegsejteket, és az elvégzett tesztekben nem okoztak kimutatható vér–agy gát-károsodást.^[1]
• Amit nem vizsgáltak. A tanulmány nem vizsgálta a hosszú távú beültetést, amelyet a szerzők a jövőbeli munka egyik kulcsfontosságú céljaként jelölnek meg. Az elektromos rögzítést és a képalkotást nem végezték egyidejűleg. Emberen nem végeztek kísérleteket.
• Összehasonlítás. A szerzők a jULIE-ket és a modern szilíciumszondákat egymást kiegészítő eszközöknek tekintik. Az arányok érzékeltetésére: egy 20 mikrométeres mikrohuzal keresztmetszete körülbelül 314 négyzetmikrométer, míg egy Neuropixels 2.0 szilíciumszonda száráé körülbelül 1680.

Miért fontos

Az idegtudomány számára a vonzerő egyértelmű: az a mérőeszköz, amely kevésbé változtatja meg a szövetet, hűbb képet ad arról, mit csinál a szövet. A rugalmas elrendezések révén a szondát a kutatási kérdés anatómiájához lehet igazítani, ahelyett hogy a kérdést kellene a szondához igazítani.

A neurális interfészek és az agy–számítógép interfészek tágabb területe számára a tanulmány a miniatürizálás és a jelminőség közötti feszültséggel foglalkozik, amely az egész szakterületen végighúzódik. Mivel minden szálnak fémmagja van, a szerzők megjegyzése szerint a jULIE-k közvetlenül elektronikához csatlakoztathatók, nagyon nagy léptékben pedig lapos szilíciumchipekhez is. Ezt az utat egy kapcsolódó, együttműködésben végzett munka dolgozta ki, amely mikrohuzal-kötegek CMOS-chipekhez való csatlakoztatásával foglalkozott.^[3][4] Egy szabadalom, amelynek feltalálói között részben ugyanazok a személyek szerepelnek, finom huzalelektródák kötegeiből épített, impedanciacsökkentő nanostrukturált hegyű szondákat ír le.^[5]

Laborunk számára ez a munka a technikai alapok része. A kérdés, amelyet most felteszünk, az, hogy mit árulhat el az élő szövet az agydaganat és az azt körülvevő agy határán. Ennek a határnak a jó mérése azon az elven múlik, amelyet ez a cikk tesztelt: jussunk közel a sejtekhez, és változtassunk rajtuk a lehető legkevesebbet.

Kik végezték a munkát

A cikk megosztott első szerzői Romeo R. Rácz és Mihaly Kollo; szerzőtársaik Gabriella Rácz, Ciprian Bulz, Tobias Ackels, Tom Warner, William Wray, Nikolai Kiskin, Chi Chen, Zhiwen Ye, Livia de Hoz és Ede Rancz. A vezető szerző Andreas T. Schaefer. A kutatás főként a Francis Crick Institute-ban zajlott, a University College London, a Max Planck Institute for Medical Research és a Max Planck Institute for Experimental Medicine, a Heidelberg University, a Charité – Universitätsmedizin Berlin, a University of Southampton és más intézmények munkatársainak közreműködésével.^[1]

A cikk köszönetet mond a Francis Crick Institute transzlációs csapatának az Idea 2 Innovation pályázati programon keresztül nyújtott támogatásért, valamint a finanszírozóknak, köztük a Crick alapfinanszírozóinak (Cancer Research UK, az Egyesült Királyság Medical Research Councilja és a Wellcome Trust), a Human Frontier Science Programnak és az amerikai NIH BRAIN Initiative-nek.

A cikkben foglaltak szerint minden kísérletet az Egyesült Királyság Home Office-ának előírásai vagy a német állatvédelmi jogszabályok szerint, a helyi állatjóléti bizottságok jóváhagyásával végeztek.