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

Per comprendere la mente umana, gli scienziati spesso ascoltano i sussurri elettrici delle singole cellule cerebrali. Per decenni, questo ascolto ha richiesto un lavoro delicato e manuale, in cui i ricercatori inserivano fili sottili nel cervello uno alla volta per catturare i segoli di pochi neuroni alla volta. Una nuova generazione di strumenti ha cambiato questo panorama. Si tratta di sonde lunghe e sottili, cariche di centinaia di minuscoli sensori, capaci di registrare migliaia di neuroni simultaneamente dalle profondità del cervello. Questa tecnologia offre la possibilità di ascoltare l'intera conversazione del cervello piuttosto che solo alcune voci isolate. Tuttavia, queste nuove sonde sono fragili e richiedono un livello di precisione che le normali attrezzature da laboratorio non possono facilmente fornire. Devono essere abbassate verticalmente, senza oscillazioni, e mantenute perfettamente ferme per ore. Senza uno strumento specializzato per guidarle, il rischio di danneggiare la sonda o il cervello è elevato, e la capacità di utilizzare questi potenti dispositivi in grandi animali, come le scimmie, rimane limitata.

Un team di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology ha costruito una soluzione a questo problema chiamata OpenDrive. È una macchina realizzata su misura, progettata specificamente per inserire queste delicate sonde nei cervelli di grandi animali con estrema stabilità. Il team ha creato un sistema che non è solo altamente accurato, ma anche aperto a chiunque voglia costruirlo e migliorarlo, contrastando nettamente con le costose macchine commerciali che sono difficili da modificare. Il loro lavoro dimostra che un dispositivo a basso costo e costruito dalla comunità può funzionare altrettanto bene e, in alcuni casi, meglio degli strumenti costosi attualmente venduti dalle società di strumentazione scientifica. Condividendo liberamente i loro progetti e il proprio software, i ricercatori sperano di rimuovere le barriere finanziarie e tecniche che hanno impedito a molti laboratori di utilizzare questa tecnologia trasformativa.

Il sistema OpenDrive è composto da due parti principali: una console di controllo e i microdrive stessi. La console funge da cervello dell'operazione, ricevendo i comandi da uno schermo del computer e inviandoli ai drive. I drive sono piccoli motori leggeri che sollevano e abbassano fisicamente le sonde. Ciò che rende unico questo design è la sua attenzione alla semplicità e alla stabilità. I drive sono costruiti attorno a una guida metallica dritta, simile al bin liscio utilizzato nei cassetti scorrevoli, che costringe la sonda a muoversi in una linea perfettamente retta. Questo design impedisce alla sonda di oscillare o ruotare mentre entra nel cervello. L'intero drive pesa solo circa 30 grammi, approssimativamente il peso di una piccola mela, il che aiuta a evitare che scuota la testa dell'animale durante la registrazione. Il sistema è progettato anche per contenere più sonde contemporaneamente; i ricercatori sono riusciti a inserire con successo fino a nove sonde simultaneamente nel cervello di un singolo animale, consentendo loro di ascoltare molte diverse regioni cerebrali nello stesso momento.

Per dimostrare che la loro macchina funzionava, il team ha sottoposto OpenDrive a una serie di rigorosi test contro due popolari macchine commerciali. Hanno fissato un laser alla parte mobile di ciascuna macchina e osservato dove il raggio laser atterrava su un sensore mentre la macchina scendeva. Se la macchina oscillava, il punto del laser danzavava in un ampio cerchio. Le macchine commerciali mostravano oscillazioni significative, con il punto del laser che si spostava considerevolmente fuori rotta. Al contrario, OpenDrive manteneva il punto del laser quasi perfettamente immobile, muovendosi di meno di 3 micrometri. Ciò significa che la nuova macchina ha ridotto l'oscillazione laterale di oltre il 95 percento rispetto alle opzioni commerciali. Il team ha anche misurato quanto accuratamente le macchine si muovevano su una distanza specifica. Hanno scoperto che OpenDrive era precisa quanto la migliore macchina commerciale e molto più accurata dell'altra, con errori così piccoli da essere quasi impercettibili.

Oltre ai test di laboratorio, i ricercatori hanno utilizzato OpenDrive in esperimenti reali con un rhesus monkey (macaco). Hanno inserito con successo le sonde in varie parti del cervello, incluse strutture profonde come il talamo e il cervelletto, nonché gli strati esterni del cervello. In queste sessioni, la macchina ha mantenuto le sonde stabili per ore, permettendo al team di registrare l'attività di migliaia di neuroni senza che i segnali uscissero dal fuoco. Il sistema include anche un software che permette ai ricercatori di vedere esattamente dove si trova la sonda all'interno del cervello in tempo reale, sovrapponendo il percorso della sonda a una mappa 3D del cervello dell'animale. Questa guida visiva aiuta gli scienziati a mirare a obiettivi specifici con fiducia.

La portata di questo lavoro va oltre le prestazioni della macchina stessa. Per anni, gli strumenti necessari per questo tipo di ricerca sono stati costosi e chiusi, il che significa che se un laboratorio avesse voluto cambiare un componente o risolvere un problema, avrebbe dovuto aspettare il produttore o acquistare una nuova e costosa unità. OpenDrive è diverso perché ogni sua parte è open source. Gli schemi, il codice e le istruzioni sono tutti disponibili per chiunque voglia scaricarli, costruirli e migliorarli. Il costo totale per costruire un sistema completo è di circa 5.000 dollari, una frazione dei 50.000 dollari richiesti per i sistemi commerciali comparabili. Rendendo questi strumenti accessibili e modificabili, i ricercatori invitano la comunità scientifica globale a collaborare sulla parte hardware. Credono che quando gli scienziati possono condividere e migliorare i propri strumenti apertamente, il ritmo della scoperta accelera, permettendo a più laboratori di esplorare il complesso funzionamento del cervello con la tecnologia più avanzata disponibile.