Creierul, conectat direct la un cip de siliciu

Cipurile din telefoane și camere foto devin tot mai dense și mai ieftine. Dispozitivele care înregistrează activitatea creierului nu au ținut pasul. A înregistra de la mai mulți neuroni înseamnă de obicei mai multe fire, mai mulți conectori și mai multe amplificatoare, iar fiecare pas adaugă volum, cost și efort de inginerie.

Un articol publicat în 2020 în Frontiers in Neuroscience a propus o altă cale.^[1] În loc să proiecteze un cip nou pentru fiecare nou experiment de înregistrare cerebrală, echipa a folosit cipuri amplificatoare existente, produse în serie, și le-a conectat la creier prin mănunchiuri de fire foarte subțiri acoperite cu sticlă. Au numit abordarea CHIME, prescurtarea de la CMOS-Hosted in vivo MicroElectrodes (microelectrozi in vivo găzduiți pe CMOS).

Problema scalării

Înregistrarea electrică este cea mai rapidă metodă de a urmări activitatea creierului: ea surprinde impulsurile nervoase individuale, sau spike-urile, care durează aproximativ o milisecundă. Cele mai ample înregistrări electrice de până acum se bazează în principal pe sondele de siliciu, tije subțiri care poartă șiruri de contacte.

Articolul explică de ce acestea sunt greu de scalat.^[1] Punctele de înregistrare de pe o tijă de siliciu sunt așezate de-a lungul unei singure linii, în timp ce multe regiuni cerebrale bine studiate, printre care cortexul, hipocampul și bulbul olfactiv, sunt organizate în straturi orizontale, care se eșantionează cel mai bine pe o suprafață largă. Așezarea multor tije aproape una de alta lezează țesutul. Iar fiecare nou cip proiectat la comandă are nevoie de mult timp pentru verificare și fabricație.

Cipurile de înregistrare plate realizate în tehnologie CMOS, procesul standard pentru microcipurile moderne, au ajuns deja la zeci de mii de canale pentru felii de creier și culturi celulare. Dar aceste cipuri sunt plate, iar un creier viu nu este. CHIME a fost conceput pentru a adăuga a treia dimensiune care lipsea.

Fire produse la kilometru

Firele sunt produse printr-o metodă în care metalul topit este tras în interiorul sticlei într-un filament continuu.^[1] Rezultatul este o fibră flexibilă, cu un miez metalic conductor și un înveliș neted de sticlă, fabricată în lungimi de sute de metri. Pentru înregistrările din acest articol, fibrele aveau un diametru de 22–25 micrometri, cu miezuri metalice de 1–7 micrometri.

Fiind flexibile, fibrele pot fi înfășurate mecanic în mănunchiuri, cam ca ața pe un mosor. Echipa a realizat mănunchiuri de la 100 până la 1.000 de fire. Mănunchiurile au fost înglobate în plastic dur, iar cele două capete au fost tratate diferit:

• Capătul dinspre cip a fost lustruit plan, iar pe fiecare miez metalic expus au fost crescute prin electrodepunere mici protuberanțe emisferice de aur. Contactele mai mari fac mai probabilă o conexiune sigură atunci când mănunchiul este presat pe cip.
• Capătul dinspre țesut a fost lustruit la un unghi de 30 de grade, pentru ca fiecare fir să aibă un vârf ascuțit, apoi eliberat din materialul de înglobare, astfel încât ultimii câțiva milimetri ai fiecărui fir să se poată mișca independent. Vârfurile au primit un strat electrochimic care îmbunătățește înregistrarea, așa cum este descris în lucrarea înrudită despre jULIEs.^[2]

Un mănunchi presat pe un cip

Ideea-cheie este renunțarea la cablarea individuală. Capătul lustruit al mănunchiului, cel dinspre cip, este pur și simplu presat pe grila de pixeli amplificatori.^[1] Deoarece cipul are mult mai mulți pixeli decât are mănunchiul fire, iar firele sunt distanțate la peste 100 de micrometri unul de altul, fiecare fir are șanse mari să aterizeze pe cel puțin un pixel, fără vreo aliniere atentă. Pixelii care ating un fir pot fi identificați ulterior după semnalele lor.

Echipa a încercat metoda cu două cipuri foarte diferite:

• Un cip MEA de cercetare (MEA1k), cu 26.400 de pixeli de înregistrare, dintre care 1.024 pot fi selectați și înregistrați simultan. El permite înregistrarea doar de la pixelii conectați la fire.
• Cipul de citire al unei camere în infraroșu (Xenics Cheetah 640CL), livrat fără stratul sensibil la lumină. Conține 327.680 de amplificatoare și înregistrează cadre cu până la 200 kHz pentru o fereastră mică de pixeli sau cu 1,7 kHz pentru cadrul complet. Înregistrarea cerebrală este captată ca flux video, iar traseele de tensiune sunt extrase ulterior din pixelii conectați.

Cât de curat este semnalul?

Un fir lung și subțire poate pierde pe drum o mare parte dintr-un semnal mic. Articolul a măsurat cât cuplaj electric se scurge din fir în lichidul din jur și l-a găsit foarte scăzut, sub 80 de femtofarazi pe milimetru de fir, deoarece învelișul de sticlă este gros în comparație cu miezul metalic.^[1]

Zgomotul măsurat în soluție salină a fost de 24,2 ± 7,7 microvolți (RMS) pe cipul MEA și de 58,2 ± 21,5 microvolți pe cipul camerei. Pentru spike-uri de 150–500 de microvolți, pe care autorii le-au înregistrat în mod fiabil în creierul de șoarece, aceasta înseamnă rapoarte semnal-zgomot de 6–20 și, respectiv, 2,5–9. După eliminarea zgomotului comun tuturor canalelor, zgomotul rămas pe cipul MEA a scăzut la 6,5 ± 2,6 microvolți, ceea ce, sugerează autorii, înseamnă că ar putea fi redus și mai mult prin ecranare.

Înregistrarea în creier

Echipa a înregistrat din bulbul olfactiv, primul releu al creierului pentru miros, la șoareci anesteziați.^[1] Cu cipul MEA și mănunchiuri de 200 de fire, în medie 156 ± 36 de pixeli au fost conectați cu o bună calitate a semnalului, în cele șapte experimente. Înregistrarea a început imediat după inserarea mănunchiului. Sesiunile au durat între 23 de minute și 2 ore.

Ambele cipuri au înregistrat spike-uri de la neuroni individuali. Cipul camerei a captat unde lente (potențiale de câmp local) mai mici, din cauza modului în care amplificatoarele sale filtrează semnalul, dar a distins totuși spike-uri bine separate ale unor neuroni individuali. Într-un experiment, 86 de canale ale cipului MEA au înregistrat spike-uri în jurul unui stimul olfactiv de o secundă.

Firele au pătruns în cortex fără să se îndoaie, în acord cu estimarea autorilor că o porțiune de un milimetru din acest fir poate suporta o forță de aproximativ 300 de micronewtoni înainte de a se curba. Mănunchiurile au fost de asemenea vizualizate în interiorul craniului prin tomografie computerizată cu raze X, în care firele individuale puteau fi distinse, astfel încât punctele de înregistrare pot fi localizate în raport cu anatomia.

Leziunile tisulare au fost discutate cu trimitere la studiile înrudite. Autorii notează că, deși firele au fost inserate rapid (cu 100 de micrometri pe secundă sau mai repede), semnalele au fost stabile încă de la începutul înregistrării, fără scăderea calității semnalului raportată adesea în primele 40–60 de minute după inserarea unui electrod, care este atribuită în general perturbării locale a țesutului.

Ce arată și ce nu arată acest studiu

• Ce s-a demonstrat. Mănunchiurile de microfire acoperite cu sticlă pot fi conectate direct la două cipuri amplificatoare CMOS diferite, disponibile comercial, și folosite pentru a înregistra activitatea unor neuroni individuali în creierul de șoarece, majoritatea firelor realizând o conexiune funcțională.^[1]
• Ce nu s-a testat. Toate înregistrările au fost acute, cu capul animalului fixat. Autorii scriu că înregistrările au rămas stabile peste 40 de minute, dar că înregistrările cronice, care durează de la zile la luni, vor necesita studii histologice și funcționale suplimentare.
• Ce este. CHIME este o metodă și o arhitectură, nu un dispozitiv finit. Articolul o prezintă ca pe o modalitate de a lega înregistrarea neurală de progresul rapid al industriei de cipuri.

De ce contează

Pentru interfețele creier–computer și pentru neuroștiința la scară largă, atracția constă în modularitate. Mănunchiul de electrozi și electronica sunt fabricate separat și unite prin presare, astfel încât oricare dintre ele poate fi îmbunătățită sau înlocuită fără a o reproiecta pe cealaltă. Autorii notează că aceeași abordare ar putea fi extinsă la alte matrice CMOS, de exemplu la cipuri care furnizează stimulare electrică.

Un articol însoțitor din Science Advances, realizat în cadrul aceleiași colaborări, a extins mănunchiurile la mii de fire și a înregistrat de la șoareci treji, în mișcare.^[3] Citiți ghidul nostru despre acel articol.

Cine a realizat lucrarea

Mihaly Kollo, Romeo Racz, Mina-Elraheb Hanna și Abdulmalik Obaid au contribuit în mod egal, ca prim-autori, alături de Matthew R. Angle, William Wray, Yifan Kong, Jan Müller și Andreas Hierlemann. Nicholas A. Melosh și Andreas T. Schaefer sunt co-autori seniori. Lucrarea a reunit Francis Crick Institute și University College London, Stanford University, Paradromics Inc., ETH Zürich și MaxWell Biosystems.^[1]

Conform secțiunii privind contribuțiile autorilor, Kollo, Racz, Hanna, Obaid, Angle, Schaefer și Melosh au inițiat conceptul și designul; Kollo, Racz și Wray au efectuat experimentele, achiziția datelor și analiza.

Conflicte de interese, așa cum sunt declarate în articol. Mai mulți autori sunt angajați ai Paradromics, Inc., o companie de interfețe creier–computer, și/sau dețin acțiuni la aceasta, iar unul dintre autori este co-fondator al MaxWell Biosystems AG. Manuscrisul a fost publicat inițial ca preprint pe bioRxiv.

Toate experimentele pe animale au fost aprobate de comisia locală de etică și de UK Home Office, în temeiul Animals (Scientific Procedures) Act 1986, așa cum se precizează în articol.