OpenDrive: An Open-Source Microdrive for Large-Scale Neurophysiology

Um den menschlichen Geist zu verstehen, lauschen Wissenschaftler oft dem elektrischen Flüstern einzelner Gehirnzellen. Jahrzehntelang erforderte dieses Lauschen eine delikate, manuelle Arbeit, bei der Forscher dünne Drähte einzeln in das Gehirn senkten, um die Signale einiger weniger Neuronen einzufangen. Eine neue Generation von Werkzeugen hat diese Landschaft verändert. Dabei handelt es sich um lange, dünne Sonden, die mit Hunderten winziger Sensoren bestückt sind und in der Lage sind, tausende Neuronen gleichzeitig aus der Tiefe des Gehirns aufzuzeichnen. Diese Technologie bietet die Chance, das gesamte Gespräch des Gehirns zu hören, anstatt nur einige isolierte Stimmen. Diese neuen Sonden sind jedoch fragil und erfordern ein Maß an Präzision, das Standard-Laborgeräte nicht ohne Weiteres leisten können. Sie müssen senkrecht nach unten geführt werden, ohne zu wackeln, und über Stunden hinweg vollkommen ruhig gehalten werden. Ohne ein spezielles Werkzeug zur Führung ist das Risiko hoch, die Sonde oder das Gehirn zu beschädigen, und die Fähigkeit, diese leistungsstarken Geräte bei großen Tieren wie Affen einzusetzen, bleibt begrenzt.

Ein Forscherteam am Massachusetts Institute of Technology hat eine Lösung für dieses Problem entwickelt, die OpenDrive genannt wird. Es handelt sich um eine maßgeschneiderte Maschine, die speziell dafür konzipiert wurde, diese empfindlichen Sonden mit extremer Stabilität in die Gehirne großer Tiere abzusenken. Das Team hat ein System geschaffen, das nicht nur hochpräzise, sondern auch offen für jeden ist, der es bauen und verbessern möchte – ein starker Kontrast zu teuren kommerziellen Maschinen, die schwer zu modifizieren sind. Ihre Arbeit zeigt, dass ein kostengünstiges, von der Gemeinschaft gebautes Gerät genauso gut wie, und in einigen Aspekten sogar besser als, die derzeit von wissenschaftlichen Instrumentenherstellern verkauften teuren Werkzeuge funktionieren kann. Durch die freie Weitergabe ihrer Designs und Software hoffen die Forscher, die finanziellen und technischen Barrieren abzubassen, die viele Labore bisher von der Nutzung dieser transformativen Technologie abgehalten haben.

Das OpenDrive-System besteht aus zwei Hauptteilen: der Steuerungskonsole und den Mikroantrieben selbst. Die Konsole fungt als das Gehirn des Betriebs, empfängt Befehle von einem Computerbildschirm und leitet sie an die Antriebe weiter. Die Antriebe sind kleine, leichte Motoren, die die Sonden physisch anheben und absenken. Was dieses Design einzigartig macht, ist sein Fokus auf Einfachheit und Stabilität. Die Antriebe sind um eine gerade Metallschiene gebaut, ähnlich der glatten Schiene einer Schublade, was die Sonde dazu zwingt, sich in einer perfekt geraden Linie zu bewegen. Dieses Design verhindert, dass die Sonde beim Eindringen in das Gehen schwankt oder rotiert. Der gesamte Antrieb wiegt nur etwa 30 Gramm, was in etwa dem Gewicht eines kleinen Apfels entspricht, was hilft, den Kopf des Tieres während der Aufzeichnung nicht zu erschüttern. Das System ist zudem so konzipiert, dass es mehrere Sonden gleichzeitig halten kann; die Forscher haben erfolgreich bis zu neun Sonden gleichzeitig in das Gehirn eines einzelnen Tieres abgesenkt, was es ermöglicht, viele verschiedene Hirnregionen zur gleichen Zeit zu beobachten.

Um zu beweisen, dass ihre Maschine funktionierte, unterzog das Team OpenDrive einer Reihe strenger Tests gegen zwei populäre kommerzielle Maschinen. Sie befestigten einen Laser an dem beweglichen Teil jeder Maschine und beobachteten, wo der Laserstrahl auf einen Sensor fiel, während die Maschine absank. Wenn die Maschine wackelte, würde der Laserpunkt in einem weiten Kreis tanzen. Die kommerziellen Maschinen zeigten signifikantes Wackeln, wobei der Laserpunkt deutlich vom Kurs abwich. Im Gegensatz dazu hielt OpenDrive den Laserpunkt fast perfekt still, mit einer Abweichung von weniger als 3 Mikrometern. Das bedeutet, dass die neue Maschine das seitliche Schwanken im Vergleich zu den kommerziellen Optionen um mehr als 95 Prozent reduzierte. Das Team maß zudem, wie präzise die Maschinen eine bestimmte Distanz zurücklegten. Sie fanden heraus, dass OpenDrive genauso präzise war wie die beste kommerzielle Maschine und weitaus genauer als die andere, mit Fehlern, die so klein waren, dass sie kaum messbar waren.

Jenseits der Labortests nutzten die Forscher OpenDrive in echten Experimenten mit einem Rhesusaffen. Sie senkten die Sonden erfolgreich in verschiedene Teile des Gehirns ab, einschließlich tiefer Strukturen wie dem Thalamus und dem Kleinhirn sowie in die äußeren Schichten des Gehirns. In diesen Sitzungen hielt die Maschine die Sonden über Stunden hinweg stabil, sodass das Team die Aktivität tausender Neuronen aufzeichnen konnte, ohne dass die Signale aus dem Fokus drifteten. Das System enthält zudem eine Software, die es den Forschern ermöglicht, den genauen Ort der Sonde innerhalb des Gehirns in Echtzeit zu sehen, indem der Pfad der Sonde über eine 3D-Karte des Gehirns des Tieres gelegt wird. Dieser visuelle Leitfaden hilft Wissenschaftlern, Zielpunkte mit Zuversicht anzuvisieren.

Die Bedeutung dieser Arbeit reicht über die Leistung der Maschine selbst hinaus. Jahrelang waren die Werkzeuge, die für diese Art von Forschung benötigt wurden, teuer und abgeschottet, was bedeutete, dass, wenn ein Labor ein Teil ändern oder ein Problem beheben wollte, es auf den Hersteller warten oder eine neue, kostspielige Einheit kaufen musste. OpenDrive ist anders, denn jeder Teil davon ist Open Source. Die Blaupausen, der Code und die Anweisungen sind alle frei verfügbar zum Herunterladen, Bauen und Verbessern. Die Gesamtkosten für den Bau eines vollständigen Systems liegen bei etwa 5.000 Dollar, einem Bruchteil der 50.000 Dollar, die für vergleichbare kommerzielle Systeme erforderlich sind. Indem sie diese Werkzeuge zugänglich und modifizierbar machen, laden die Forscher die globale wissenschaftliche Gemeinschaft dazu ein, an der Hardware selbst mitzuarbeiten. Sie glauben, dass sich das Tempo der Entdeckungen beschleunigt, wenn Wissenschaftler ihre Werkzeuge offen teilen und verbessern können, was es mehr Laboren ermöglicht, die komplexen Vorgänge des Gehirns mit der fortschrittlichsten verfügbaren Technologie zu erforschen.