Как эволюция матриц цифровых камер помогает нейрофизиологам изучать эпилепсию

Источник: здесь

Я люблю эволюцию, люблю наблюдать и пытаться осмыслить ее проявления в самых разных областях нашей реальности. По первоначальному образованию инженер, я, волей судьбы, с большим удовольствием и интересом занимаюсь изучением эпилепсии в аспирантуре Кёльнского Университета.

✍ Мы привыкли воспринимать стабильную работу нашего мозга как нечто само-собой разумеющееся и естественное. Мы не задумываемся, насколько такой режим работы мозга уникален и насколько сложные механизмы защищают его от переходов к неустойчивым хаотическим состояниям со спонтанными неуправляемыми всплесками нейронной активности, называемыми приступами эпилепсии. Самые простые колонии нейронов, выращиваемые в чашках Петри, чаще всего (почти всегда) демонстрируют динамику активности, быстро переходящую в эпилепто-подобные приступы с единовременными импульсами потенциалов действия подавляющего числа клеток. Это явно указывает на то, насколько фундаментальна проблема таких приступов во всех живых нейросетях. Можно сказать языком программиста, это их исходный баг.

Живым организмам пришлось отладить в ходе эволюции сложнейшие механизмы предотвращения приступов, балансируя между «медленным и глупым» вариантом нейросети с низковозбудимыми нейронами со слишком редкими импульсами потенциалов действия и «быстрым и умным» вариантом с риском развития эпилепсии. Нисколько не удивился бы, если бы узнал, что какие-нибудь аномалокарисы (Рис. 1.) массово страдали от эпилептических приступов: гипервозбудимости нейронов и кратковременных взлетов частоты нервных импульсов до заоблачных значений.


Рис. 1. Аномалокарис – хищник кембрийских морей. Не могу не вставить изображение его реконструкции – уж очень он красивый, как по мне ;) Источник: здесь

В мозге, или в его примитивной версии – ганглиях более простых форм жизни, разумеется, есть водители ритма – нейронные структуры, выдающее нечто отдаленно напоминающее тактовую частоту процессора. Но нейроны, разумеется, не объединены никакой единой сетью, сообщающей им всем точную частоту работы. В отличие от полупроводниковых компонентов наших компьютеров они куда более непредсказуемы и куда более независимы друг от друга в своих «решениях» выдать импульс в очередной момент времени. В итоге средняя частота обмена импульсами определяется запутанными схемами межнейронных связей, собственными параметрами каждой клетки, количеством нейронов каждого типа и т. п.

Чаще всего нейроны достаточно пластичны и «разумны», чтобы скорректировать свою чувствительность при увеличении средней частоты импульсов – рисках возникновения приступа. Это одно из проявлений механизма поддержания гомеостаза – тенденции сохранить состояние равновесия. Крайне распространенная тенденция во многих живых системах. Увы, этот механизм неидеален и у человека и иногда дает сбой – возникает приступ эпилепсии. Хорошая новость состоит в том, что мы (человечество) уже обладаем необходимыми знаниями и технологиями, чтобы если и не полностью «чинить» такие поломки, то успешно их компенсировать.

▎Мыши спешат на помощь.

Чтобы чинить поломки, необходимо для начала разработать методику. В этом очень сильно помогают грызуны, в частности мыши.

Дебаггинг многих новых методов удобнее вести на мышах по ряду причин:

• Они (о чудо!) тоже млекопитающие.
• Не так уж генетически далеки от нас.
• Многие человеческие мутации, связанные с эпилепсией, действительно приводят к появлению мышей-мутантов-эпилептиков.
• Животные прекрасно живут и размножаются в неволе.
• Нетребовательны к условиям.
• Да и просто с мышами проще работать. Попробуйте при случае на досуге сделать укол мыши и ее ближайшему родственнику – крысе и почувствуйте всю разницу ощущений.

Итак, у нас есть мышь-эпилептик и мы хотим сравнить фенотип этой мутации с другим или проверить новый интересным метод лечения. Нам желательно иметь возможность записи потенциалов действия как можно большего числа нейронов из разных слоев мозга. Так мы сможем уверенно сказать, в каких областях приступ сформировался, куда распространился, на какие нейроны нам нужно воздействовать, чтобы его подавить, или помогло ли лекарство снизить спайковую активность нейронов определенного типа.

Как несложно догадаться, нам очень желательно, чтобы мозг животного был минимально поврежден и оставался функционирующим, по крайней мере, во время эксперимента. Происходящее после эксперимента иногда чем-то напоминает ритуалы древних цивилизаций Майя или Ацтеков – интересующимся рекомендую ознакомиться с таким процессом, как "перфузия". 

▎Опыты: учёные, мыши, мозги, электроды

Дисклеймер: Все работы ведутся в строгом соответствии с требованиями ЕС и Германии к экспериментам на животных, под необходимой анестезией и с гуманной эвтаназией.

Главное, сверлить гуманно.

Сначала исследователи пробовали погружать в мозг животного тончайшие проволочки через аккуратно просверленное отверстие в черепе. Проволочка имела изоляцию по всей длине, кроме самого конца. Если очень везло и конец оказывался в непосредственной близости от тела нейрона, даже могли получить качественную запись потенциала действия. Потом стали скручивать по 4 проволочки, и получился широко известный в электрофизиологических кругах тетрод. Тетродом можно было записать до 4 нейронов одновременно!

Далее наука пришла к использованию кремниевых электродов: тонкое кремниевое острие с контактными площадками на поверхности. Толщина такой кремниевой пластины варьируется от 15 до 50 мкм. Длина – до 15 мм. Ширина – порядка 0.5 … 1.5 мм у основания и десятки микрон в острие.

Такие электроды могут быть введены в мозг с минимальным нарушением целостности его нейросети. На изображениях ниже приведены фотографии двух (из огромного числа возможных видов) электродов и схемы расположения контактных площадок (Рис. 2). В нашей лаборатории максимальное количество контактных площадок на отдельных электродах NeuroNexus – 64. Можно вести весьма качественные записи, например, из гиппокампа мыши.




Рис. 2. Электроды NeuroNexus. Изображения взяты с официального сайта производителя.

▎Ложка дёгтя в мёде

Главный недостаток таких устройств – наши сенсоры (контактные площадки) пассивные. Иными словами, это просто небольшие островки проводящего материала (иридия, платины или золота) на кремниевой подложке с подсоединенными к ним тончайшими изолированными проводящими дорожками.

Дорожки идут параллельно друг другу по всей длине кремниевой пластины и подсоединяются через коннектор к усилителю. По каждой дорожке сигнал от записанной поблизости от ее контактной площадки нервной клетки путешествует без предусиления. Нужно помнить, что нейрон мозга это весьма слабая электрическая машина, и больше нескольких десятков милливольт ждать от него не стоит. При всем качестве расчетов и компоновки мы сталкиваемся с проблемой передачи низкоамплитудных аналоговых сигналов по параллельным проводникам.

Мы не можем сделать дорожки слишком тонкими без увеличения собственного сопротивления каждой дорожки, мы не можем сделать их слишком широкими, допустив чрезмерное сближение дорожек на поверхности кремния и «смешивание» их сигналов, и в результате имеем ограничение в количестве контактных площадок на каждом кремниевом электроде.

▎Выход из ситуации есть!

Нужно сделать наши контактные площадки активными! По сути, мы должны встроить полупроводниковый усилитель в каждую из них, уменьшить толщину дорожек и пускать по ним уже усиленные сигналы, куда менее чувствительные к помехам.

Когда-то это бы показалось фантастикой, но прогресс не стоит и не должен стоять на месте. Еще в статье «Large-scale, high-density (up to 512 channels) recording of local circuitsin behaving animals» 2013 года [2] авторы всерьез высказывали идею использования полупроводниковых усилителей, встроенных в контактные площадки электродов для увеличения помехозащищенности системы и повышения возможной плотности сенсоров на поверхности кремниевого электрода. При этом авторы также выражали опасения, что собственные электронные шумы полупроводников внесут искажения в работу нейронов в непосредственной близости от регистрирующего устройства.

К счастью, гонка производителей полупроводников и фоточувствительных матриц, в частности, за высоким качеством изображения, низким уровнем шумов и низким энергопотреблением подготовила прекрасную почву для быстрого и относительно легкого адаптирования готовых технологий под новые задачи. Благодаря им исследователи получили прекрасный инструмент для еще более детального и продуктивного изучения работы мозга в целом и эпилепсии в частности.

В 2017 году свет увидел новый вид кремниевых электродов для нейрофизиологических экспериментов. Чудо техники называется NeuroPixels и имеет 960 каналов записи. В статье «Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity» 2017 года [1] упоминается единовременная запись при помощи двух электродов NeuroPixels 700 отдельных нейронов из 5 структур мозга бодрствующей мыши. Ниже приведены изображения электродов NeuroPixels, взятые с официального сайта компании-разработчика (Рис. 3).




Рис. 3. Электроды NeuroPixels. Взято с сайта.

Разработчик создал кремниевый электрофизиологический электрод на основе CMOS-сенсоров, или по-русски КМОП (Комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). В широком смысле это целая технология построения интегральных микросхем на основе полевого транзистора с изолированным затвором, и большинство современных сенсоров построены именно по этой технологии. Для необходимой плотности расположения сенсоров на кремниевой пластине NeuroPixels была применена, с поправками на отсутствие необходимости в фоточувствительности, прекрасно отлаженная технология производства матриц высокого разрешения современных цифровых камер.

Разработчики цифровых фотокамер уже успели на десятилетия раньше столкнуться с проблемой ограниченности максимальной плотности пассивных светочувствительных сенсоров в матрицы камеры, а также с высоким уровнем шумов, и успешно решили возникшие технологические трудности при помощи внедрения активных сенсоров.

Электроды NeuroPixels уже активно используются нейробиологическими лабораториями по всему миру, GitHub пополняется исходниками софта для работы с ними, публикуются данные новых и новых экспериментов с качеством записи, недостижимым для кремниевых электродов прошлых поколений. Сейчас изучаю имеющийся в открытом доступе накопленный объем данных по работе с ними и готовлюсь к включению данного инструмента в эксперименты моего PhD-проекта. Напишу как-нибудь о личном опыте общения с инновацией.
 

Источники информации

1.      James J Jun at al. Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity. Nature, 2017.
2.      György  Buzsáki et al. Large-scale, high-density (up to 512 channels) recording of local circuitsin behaving animals. J Neurophysiol, 2013.

Автор: нейрофизиолог Даниил Кирьянов

---

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS