A sonda Neuropixel 1.0 NHP é muito mais longa do que o filho de gravação existente com alta densidade, o que fornece o registro de acesso à maior parte do cérebro em um rhesus macak ou outro animal grande. Crédito: Trautmann et al.
Para mapear o cérebro de mamíferos e suas várias funções com precisão crescente, os neurocientistas dependem de técnicas de imagem de alta resolução e outras ferramentas experimentais avançadas. Isso inclui silicelone de alta densidade, unidades semelhantes a agulha que integram vários eletrodos que podem ser inseridos no tecido cerebral para captar alterações de tensão associadas ao disparo de neurônios.
Até agora, essas unidades foram usadas principalmente para monitorar e estudar a atividade dos neurônios no cérebro dos roedores. No entanto, eles se mostraram menos eficazes quando estudaram o cérebro de primatas não humanos (NHP), como os macacos, que são mais intimamente semelhantes ao cérebro humano.
Pesquisadores do Columbia University Medical Center e Columbia University demonstraram recentemente o potencial de neuropixels 1.0 NHP, uma sonda mais escalável desenvolvida pela IMEC, para coletar gravações neurais de largura cerebral e alta resolução em macacos e outros NHPs.
O projeto deles resultou em um artigo publicado na Nature Neuroscience.
“Nosso artigo foi inspirado por uma necessidade básica na Sociedade de Neurociência de superar as restrições às técnicas de gravação neural existentes no NHPS”, disse à Medical Xpress.
“The Original Neuropixels 1.0 Probe, While Transformative for Rodent Models, Had Limited Functionality in NHPS Due to Its 10-Mm Length, Which Restricated Access to Superficial Brain Target, and a Thin Shank (24 µm) That Made Insertion Throught Made Insertion Through Dios Arrays Are Limited in Channel Count, and Surface Array’s Like The Utah Array or Floating Microwire Array’s Were Confined to Superficial Cortex and Fixed Depth.
Trautmann e seus colegas estavam procurando uma investigação que lhes permitisse registrar com precisão e confiabilidade atividade neural no cérebro de NHPs e outros animais grandes. Eles queriam que esta unidade também registrasse de maneira confiável a atividade de grandes populações de neurônios com neurônios únicos e resolução ocasional, ou, em outras palavras, isolassem a atividade de neurônios individuais e descobrissem potenciais de ação individuais.
“O novo eletrodo de gravação desenvolvido pelo IMEC é fabricado como um pedaço de silício monolítico de 54 mm de comprimento que integra o eixo e os eletrônicos de base”, explicou Trautmann.
“A sonda possui um eixo muito mais longo, mais largo e mais espesso (45 mm de comprimento, 125 UM de largura e 90 UM de espessura) em comparação com a sonda original Neuropixels 1.0”.
A sonda testada pelos autores possui um total de 4.416 sites de gravação (por exemplo, pixels) distribuídos ao longo de todo o comprimento de 45 mm de eixo e agrupados em 11,5 “bancos” de 384 canais cada. Em particular, as experiências também podem escolher um desses “bancos” para coletar gravações simultâneas em 384 sites, através de um comutador abaixo de cada site.
“A sonda usa os mesmos canais de leitura de baixo ruído com reforço programável e resolução de 10 bits em uma plataforma CMOS de 130 nm de silicone sobre isolador, como o Neuropixels 1.0”, disse Travelmann.
“A corrida no eixo é mecanicamente moída para um ângulo de fase de 25 ° no piso lateral, criando uma ponta afiada ao longo de ambos os eixos para facilitar a inserção e minimizar os danos nos tecidos”.
A nova unidade de neuropixel oferece aos neurocientistas acesso mais profundo a estruturas em todo o cérebro de animais grandes, que não podem ser alcançados com uma alta densidade mais curta. Além disso, sua espessura de 90 UM e eixo mais nítido permitem efetivamente penetrar na membrana resistente que cobre o cérebro Primat e a medula espinhal, conhecida como Primata Dura Mater.
“Os benefícios adicionais de nossa abordagem incluem sua escalabilidade e altos canais, ou, em outras palavras, a capacidade de escolher programativamente 384 canais de mais de 4.400 assentos e coletar gravação simultânea de várias áreas de milhares de neurônios”, disse Trautmann.
“Essa função permite que os especialistas relaxem o processo de otimização de um local de gravação a partir do posicionamento da sonda, que facilita os exames da atividade neural ao longo de todo o comprimento da sonda sem movimento físico”.
Como a sonda recém -desenvolvida é maior que as reticulares individuais (ou seja, máscaras) que geralmente são usadas para fabricar unidades através de técnicas fotolitográficas, seus desenvolvedores tiveram que projetar métodos para permitir sua realização confiável. Isso incluiu uma estratégia de “costura” para adaptar com precisão as funções ao longo da sonda em várias etapas, bem como camadas de compensação de estresse que impedem que ela se dobre.
“Os fios metálicos internos foram ampliados e distribuídos para minimizar a resistência, o ruído térmico e a transição”, explicou Trautmann. “Outra vantagem de nossa investigação é sua alta resolução espacial. Os frequentes locais de gravação facilitam a classificação automatizada de alta qualidade e permitem o rastreamento contínuo de neurônios, mesmo com o movimento de condução entre a investigação e o tecido”.
Comparado à tecnologia existente, a sonda Neuropixels 1.0 NHP também é mais econômica. Assim, pode diminuir drasticamente o custo associado à gravação de neurônios, com um custo total do sistema entre US $ 7.000 e US $ 15.000.
“Demonstramos o potencial da investigação por meio de quatro tentativas de amostra em macacos e levantamos várias questões neurocientíficas”, disse Traumann.
“Mostramos estudos em grande escala de organização retinotópica em várias áreas corticais extra visuais e registramos milhares de neurônios simultaneamente e ilustramos o deslocamento ordenado de campos suscetíveis sobre profundidades corticais.
“Também reunimos gravações estáveis e em grande escala durante comportamentos motores em estruturas superficiais e profundas (por exemplo, córtex motor primário, córtex protor, globus pallidus interno, área complementar do motor), mostra a captura de vários padrões temporais e a melhor preparação de energia com mais neurônios”.
Com a ajuda da nova investigação, os pesquisadores também foram capazes de registrar atividades em uma área no cérebro do NHP que geralmente é difícil de acessar (ou seja, manchas faciais do córtex inferotemporal profundo), enquanto os animais olhavam para fotos de rostos. Durante uma única sessão de coleta de dados, eles foram capazes de descobrir centenas de neurônios que pareciam contribuir para o reconhecimento de rostos, o que levaria anos antes.
“Também demonstramos a usabilidade da sonda para estudar correlacionamento individual para a tomada de decisão, que mostra como as populações de neurônios do Lip e Superior Colliculus (SC) rastrearam evidências e exibem dinâmicas distintas apenas observáveis por meio de análises de alto retorno”, disse Trautmann.
“A alta densidade também facilitou a medição de correlações de unhas entre pares de neurônios, o que é uma indicação de conexões sinápticas ou entrada compartilhada, o que permite o mapeamento de supostas conexões sobre lâminas corticais e entre regiões”.
Este último estudo pode abrir novas oportunidades valiosas para pesquisas neurocientíficas envolvendo grandes animais. Ao superar vários desafios técnicos geralmente relatados, a nova investigação desenvolvida no IMEC provou que registrava confiáveis as atividades do neurônio sobre o cérebro de primatas não humanos.
“Superamos com sucesso desafios técnicos significativos relacionados à fabricação de projetos de silício em grande escala que excedem os tamanhos padrão de políticas de pé por meio de métodos como costuras e projetando a resistência e flexibilidade mecânicas (camada de compensação de estresse) para o eixo longo”, disse Trautmann.
“Essa tecnologia permite novas classes de experimentos que são considerados impraticáveis ou impossíveis.
No futuro, o Neuropixel pode ser distribuído em outros laboratórios em todo o mundo, o que reduz os esforços, recursos e custos atualmente associados ao estudo do cérebro de grandes animais. Também pode permitir experimentos neurocientíficos mais avançados e complexos envolvendo NHP, o que pode levar a novas descobertas emocionantes.
“Nossa sonda facilita uma pesquisa mais extensa e imparcial da atividade neural em várias regiões e profundidades do cérebro, o que é importante para entender o efeito coordenado de grandes populações neuronais envolvidas nas operações sensoriais, motoras e cognitivas”, disse Traumann.
“Também pode permitir que os pesquisadores realizem análises individuais de atividade neural em alta resolução, o que é particularmente crítico para o estudo de funções cognitivas, onde os processos cerebrais podem variar entre a repetição de dados”.
Se usado para mapear os circuitos neurais, a sonda Neuropixels 1.0 NHP também pode ajudar a entender melhor como os circuitos anatômicos no cérebro de grandes mamíferos realizam cálculos específicos. Enquanto a versão atual da unidade é otimizada principalmente para executar gravações de emergência, o IMEC está atualmente trabalhando para melhorar suas funções.
“Como parte de nossos próximos estudos, planejamos desenvolver um novo hardware e testar o implante semi-crônico (vários dias ou semanas)”, acrescentou Trautmann.
“Isso exigirá novas estruturas de implantes e atualmente é uma capacidade não dita, mas concebível, com métodos e hardware de inserção adequados. Além disso, trabalhamos no desenvolvimento de sondas com capacidade de microestimulação intracortical (ICMS), o que ainda não é possível. Mas a geração atual de sondas pode ser usada.
Escrito para você por nosso escritor Ingrid Fadelli, editado por Gaby Clark, e controlado por fatos e revisado por Robert Ego, este artigo é o resultado de um trabalho humano cuidadoso. Confiamos que os leitores gostam de você manter vivos o jornalismo científico independente. Se este relatório for importante para você, considere uma doação (especialmente todos os meses). Você recebe uma conta livre como um agradecimento.
Mais informações:
Eric M. Trautmann et al., Gravação neural de largura cerebral de alta densidade em larga escala em primatas não humanos, neurociência da natureza (2025). Doi: 10.1038/s41593-025-01976-5.
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Citar: A sonda registra atividades confiáveis para grandes populações de neurônios em cérebros de primatas não humanos (2025, 11 de agosto) 11 de agosto de 2025 de https://medicalxpress.com/news/2025-08-probe-telystrabuly-neuron-population.html
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