Neuronszintű aktivitási adatok élő emberi agyból Neuropixels technológiával

Háttér

Az epilepsia során nemcsak ictusok, hanem gyakori, rövid ideig tartó interictalis epileptiform kisülések is jelentkeznek, amelyek a kogníció, a memória és a nyelvi funkciók átmeneti zavarával járhatnak. Ezek akár napi több ezer alkalommal is előfordulhatnak, és hozzájárulhatnak a betegek mintegy felében észlelhető kognitív deficithez.  

A jelenség mechanizmusa és előrejelezhetősége eddig nem volt teljesen tisztázott. Most egy innovatív, új technológia, a Neuropixels elektródák segítségével egy fontos lépéssel közelebb kerültünk az interictalis események megértéséhez. 

Módszerek 

A Neuropixels technológia nagy sűrűségű, többcsatornás mikroelektródás rendszer, amely in vivo körülmények között képes egyidejűleg akár több száz–ezer neuron extracelluláris aktivitásának nagy felbontású rögzítésére az agykéreg és a mélyebb agyi struktúrák területén.

Neuropixels mikroelektróda. 10 mm hosszú, 70 μm széles és 20 μm vastag, 960 mintavételi ponttal.
Kép forrása: Jun JJ, et al. Nature. 2017; 551(7679): 232–236. 

A Neuropixels technológiát eredetileg csak állatkísérletes használatra szánták, 2022 óta azonban az újabb, továbbfejlesztett változatokat már élő humán agy intraoperatív vizsgálatára is alkalmazzák – egyelőre kutatási céllal.
A vizsgálatban gyógyszerrezisztens epilepsziában szenvedő betegek (n=4) műtétje közben olyan, nagy felbontású Neuropixels szondákat alkalmaztak, amelyek több száz egyedi neuron aktivitását képesek rögzíteni az agykéreg mélyebb rétegeiben is. A rohamfókusz területén mintavételi pontonként több mint 1000 neuron aktivitását követték, elemezve az interictalis kisülések előtti, alatti és utáni mintázatokat. 

Eredmények 

Az interictalis depolarizációk nem véletlenszerűen jelentkeztek, hanem jól körülhatárolható, időben szervezett neuronális aktivitás előzte meg őket. Egy neuronpopuláció már mintegy 1 másodperccel a kisülés előtt aktiválódott, ezt követte egy másik sejtcsoport, amely a csúcsos elektromos aktivitást generálta, majd egy harmadik csoport vett részt a lecsengésben.
További fontos megfigyelés volt, hogy a kisülések térben is szervezettek: nem az egész agykéreg aktiválódik egyszerre, hanem lokális mikrohálózatok fokozatos bevonódása történik, ami determinisztikus mintázatra utal.
A jelenség során érintett neuronok közel 80%-a egészséges körülmények között is részt vesz a perceptuális és nyelvi feldolgozásban, ami magyarázatot ad a rövid idejű kognitív zavarokra. 

Értelmezés és konklúzió 

Az eredmények arra utalnak, hogy az interictalis aktivitás strukturált, előre jelezhető neuronális folyamat eredménye, nem pedig spontán „zaj”. A korai neuronális aktivitás potenciális biomarker lehet, és lehetővé teheti zárt hurkú neuromodulációs rendszerek számára a kisülések megelőzését még azok klinikai manifesztációja előtt. Az eredmények alapján a beavatkozás nemcsak az ictusokra, hanem az interictalis aktivitásra is irányulhat, amely – bár klinikailag gyakran „néma” – az idők során összegződve hozzájárulhat epilepsziában a kognitív hanyatláshoz.
Ez új terápiás megközelítést jelenthet az epilepszia nem ictalis tüneteinek kezelésében, különösen a kognitív komorbiditások visszaszorításában. 
A nagy felbontású neuronális regisztrációval végzett vizsgálat igazolta, hogy az interictalis epileptiform kisülések determinisztikus, több lépcsőben zajló folyamat eredményei, amelyek akár egy másodperccel korábban detektálhatók.