Зрительные стимулы «спроецировали» макакам с помощью светодиодного микродисплея

Электрическая стимуляция активности мозга — ценный подход для изучения фундаментальных механизмов его работы. Она также важна с клинической точки зрения, например, как перспективный способ лечения нейропсихиатрических расстройств. Однако, несмотря на значительные успехи в разработке, современные методы электростимуляции мозга имеют ряд серьезных ограничений. Они позволяют стимулировать только фиксированные участки в миллиметровом диапазоне (до 0,4 мм для трехмерных микроэлектродных массивов). Первичная зрительная кора организована в функциональные домены меньшего размера (0,1–0,2 мм), каждый из которых отвечает за обработку определенных характеристик (например, цвета) в отдельном участке поля зрения. Для прицельного контроля необходимо расположить в них не менее 100 точек стимуляции на мм² — плотность, недостижимая имеющимися методами.

Ученые из Китая создали оптогенетическую систему для точечной стимуляции коры головного мозга приматов. Они сконструировали светодиодный микродисплей с высоким разрешением, который проецировал сигналы на участок коры головного мозга. За основу взяли монохромную microLED-панель с синими светодиодами и разрешением 1280 × 720 пикселей (шаг пикселя — 5 мкм) в сочетании с широкоугольной линзой, объединив их в имплантируемое устройство. 

Ключевой компонент любой оптогенетической системы, объясняют авторы, — это опсин, который преобразует световой сигнал в стимул для нейрона. При этом желательно, чтобы он обладал высокой светочувствительностью. Руководствуясь этим, ученые выбрали опсин ChRger, который обладает повышенной чувствительностью in vitro (более высокой, чем широкоиспользуемый каналородопсин ChR2). 

Сначала пространственно-временное разрешение системы оценили на коре головного мозга мышей. Для этого ChRger экспрессировали совместно с флуоресцентным индикатором кальция jRGECO1a. Четко разделить два отклика нейронов становилось возможным, когда расстояние между стимулирующими их пикселями превышало 120 мкм. 

Затем ученые перешли к основной задаче — проверке оптогенетической системы на приматах. В экспериментах они стимулировали первичную зрительную кору (V1) макаков-крабоедов. Известно, что активация этой области приводит к восприятию фосфенов — зрительных ощущений, не связанных со световосприятием сетчатки глаз. Чтобы отслеживать их возникновение, обезьян обучили совершать саккады (быстрые согласованные движения глаз) в направлении воспринимаемого стимула. 

Исследователи вводили макакам аденоассоциированный вирусный вектор, кодирующий ChRger под промотором CaMKII, в несколько участков V1. Затем они случайно чередовали задания трех типов: визуальные, оптогенетические и контрольные. Обученным макакам демонстрировали в центре экрана точку, которая ненадолго исчезала. В первом случае при исчезновении точки на периферии экрана появлялась другая — таким способом ученые отслеживали, как саккады соотносятся с реальными стимулами. В оптогенетических тестах вместо демонстрации периферической точки ученые проводили кратковременную (200 мс) стимуляцию небольшого участка V1, а в контрольных заданиях ни того, ни другого стимула не подавали. Оказалось, что световые паттерны размером более 0,1 × 0,1 мм стабильно вызывали саккады. При этом на оптогенетическую стимуляцию конкретного участка макаки реагировали саккадами в одном и том же направлении. Это позволило картировать V1 и соотнести участки стимуляции с областями зрительного поля, где возникали фосфены. 

Таким образом, ученые создали оптогенетическую платформу на основе светодиодного микродисплея и высокочувствительного опсина. Она позволяет точечно стимулировать кору головного мозга приматов с намного более высоким разрешением, чем микроэлектродные матрицы. Авторы предполагают, что стимуляция зрительной коры с помощью новой системы — перспективный подход к созданию зрительных протезов с высоким разрешением, однако уточняют, что это требует оптимизации платформы (в частности, для клинического применения ее нужно сделать менее инвазивной) и дополнительных исследований. 

В мозге найдены клетки, отвечающие за восприятие зрительных иллюзий