Nieuwe neurale implant volgt activiteit over meerdere hersengebieden simultaan

Hoe communiceren verschillende delen van de hersenen met elkaar tijdens leren en geheugenvorming? Een nieuwe studie door onderzoekers van de Universiteit van Californië San Diego maakt een eerste stap om deze fundamentele neurowetenschappelijke vraag te beantwoorden.

De studie werd mogelijk gemaakt door het ontwikkelen van een neurale implant die de activiteit van verschillende hersendelen tegelijkertijd monitort, van het oppervlak tot diepe structuren — een eerste in het veld. Met deze nieuwe technologie tonen de onderzoekers aan dat diverse patronen van tweerichtingscommunicatie plaatsvinden tussen twee hersengebieden die een rol spelen in leren en geheugenvorming — de hippocampus en de cerebrale cortex. De onderzoekers tonen ook aan dat deze verschillende communicatiepatronen verbonden zijn met evenementen genaamd scherpgolf-rippels, die in de hippocampus optreden tijdens slaap en rust.

"Onze neurale implant is veelzijdig; het kan toegepast worden op elk gebied van de hersenen en kan studie van andere corticale en subcorticale hersengebieden mogelijk maken, niet alleen de hippocampus en cerebrale cortex," zei Professor Duygu Kuzum.

De neurale implant bestaat uit een dunne, transparante, flexibele polymerstrip geïmplementeerd met een array van micrometer-grote goude elektroden, waarop platina nanodeeltjes gedeponeerd zijn. Elke elektrode is verbonden door een micrometers-dunne draad met een custom-geprint circuitbord. Het kan elektrische signalen opnemen van enkele neuronen diep in de hersenen, zoals in de hippocampus, terwijl het grote gebieden zoals de cerebrale cortex beeldt.

Verscheidene ontwerpkenmerken maken multi-region monitoring mogelijk. Eén is dat deze sonde flexibel is. Wanneer hij diep in de hersenen geïmplanteerd wordt om een gebied zoals de hippocampus te monitoren, kan het deel dat uit de hersenen steekt naar beneden gebogen worden om ruimte te maken voor een microscoop die dicht bij het oppervlak wordt gelaten om tegelijkertijd imaging van de cerebrale cortex te doen. Conventionele neurale sondes zijn rigide, dus ze staan de microscoop in de weg; als gevolg kunnen ze niet gebruikt worden om diepe hersenstructuren te monitoren terwijl het hersenoppervlak wordt gebeeld. En hoewel deze neurale sonde zacht en flexibel is, is het ontworpen om buigen onder druk tijdens insertie te weerstaan. Een ander belangrijk kenmerk is dat de sonde transparant is, dus het geeft de microscoop een helder zichtveld. Het genereert ook geen schaduwen of additionele ruis tijdens imaging.

De motivatie voor deze studie was achterhalen hoe verschillende cognitieve processen, zoals leren en geheugenvorming, in de hersenen plaatsvinden. Zulke processen omvatten communicatie tussen de hippocampus en cerebrale cortex. Maar hoe precies gebeurt deze communicatie? En welk hersengebied initieert deze communicatie: de hippocampus of de cerebrale cortex? Dit type vragen zijn onbeantwoord gebleven omdat het erg moeilijk is om deze twee hersengebieden simultaan te bestuderen, zei Kuzum.

De onderzoekers gebruikten hun sonde om de activiteit van de hippocampus en de cerebrale cortex in transgene muizen te monitoren. Specifiek monitoren ze activiteit voor, tijdens en na oscillaties genaamd scherpgolf-rippels in de hippocampus optreden. Hun experimenten onthulden dat communicatie tussen de hippocampus en cerebrale cortex twee-zijdig is: soms initieert de cortex communicatie, andere keren is het de hippocampus. Dit is een belangrijke eerste aanwijzing voor het begrijpen van inter-region communicatie in de hersenen, zeiden de onderzoekers.

"De twee-zijdige communicatie die we hier rapporteren verschilt van de conventionele gedachte dat de cortex passief informatie ontvangt van de hippocampus. Integendeel, de cortex is actief betrokken bij het coderen van informatie in de hersenen en kan een instructieve rol spelen tijdens geheugenconsolidatie en -herhaling," zei Dr. Chi Ren, een van de onderzoekers.