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

Om de menselijke geest te begrijpen, luisteren wetenschappers vaak naar de elektrische fluisteringen van individuele hersencellen. Decennialang vereiste dit luisterenen delicaat, handmatig werk, waarbij onderzoekers dunne draden één voor één in de hersenen lieten zakken om de signalen van slechts enkele neuronen op te vangen. Een nieuwe generatie instrumenten heeft dit landschap veranderd. Dit zijn lange, dunne sondes vol met honderden minuscule sensoren, die in staat zijn om duizenden neuronen tegelijkertijd te registreren vanuit de diepte van de hersenen. Deze technologie biedt de kans om het volledige gesprek van de hersenen te horen, in plaats van slechts enkele geïsoleerde stemmen. Deze nieuwe sondes zijn echter fragiel en vereisen een niveau van precisie dat standaard laboratoriumapparatuur niet gemakkelijk kan bieden. Ze moeten recht naar beneden worden neergelaten, zonder te wankelen, en urenlang perfect stil worden gehouden. Zonder een gespecialiseerd hulpmiddel om hen te begeleiden, is het risico op beschadiging van de sonde of de hersenen groot, en blijft de mogelijkheid om deze krachtige apparaten bij grote dieren, zoals apen, beperkt.

Een team van onderzoekers aan het Massachusetts Institute of Technology heeft een oplossing gebouwd voor dit probleem genaamd OpenDrive. Het is een op maat gemaakte machine, specifiek ontworpen om deze delicate sondes met extreme stabiliteit in de hersenen van grote dieren te laten zakken. Het team heeft een systeem gecreëerd dat niet alleen zeer nauwkeurig is, maar ook openstaat voor iedereen die het wil bouwen en verbeteren, wat scherp contrasteert met dure commerciële machines die moeilijk aan te passen zijn. Hun werk laat zien dat een goedkope, door de gemeenschap gebouwde machine net zo goed kan presteren als, en op sommige punten zelfs beter dan, de dure instrumenten die momenteel door wetenschappelijke instrumentenbedrijven worden verkocht. Door hun ontwerpen en software vrij te geven, hopen de onderzoekers de financiële en technische barrières weg te nemen die veel laboratoria het gebruik van deze transformatieve technologie hebben bemoeilijkt.

Het OpenDrive-systeem bestaat uit twee hoofdonderdelen: de controleconsole en de microdrives zelf. De console fungeert als het brein van de operatie, die commando's van een computerscherm ontvangt en deze naar de drives stuurt. De drives zijn kleine, lichtgewicht motoren die de sondes fysiek omhoog en omlaag bewegen. Wat dit ontwerp uniek maakt, is de focus op eenvoud en stabiliteit. De drives zijn gebouwd rond een rechte metalen rail, vergelijkbaar met de gladde loop van een lade, die de sonde dwingt om in een perfect rechte lijn te bewegen. Dit ontwerp voorkomt dat de sonde zwiept of roteert terwijl deze de hersenen binnendringt. De gehele drive weegt slechts ongeveer 30 gram, ongeveer het gewicht van een kleine appel, wat helpt om het schudden van het hoofd van het dier tijdens de registratie te voorkomen. Het systeem is ook ontworpen om meerdere sondes tegelijk vast te houden; de onderzoekers hebben er succesvol tot negen sondes tegelijkertijd in de hersenen van één enkel dier kunnen laten zakken, waardoor ze veel verschillende hersengebieden tegelijkertijd kunnen beluisteren.

Om te bewijzen dat hun machine werkte, onderwierp het team OpenDrive aan een reeks strenge tests tegen twee populaire commerciële machines. Ze bevestigden een laser aan het bewegende deel van elke machine en observeerden waar de laserstraal op een sensor landde terwijl de machine naar beneden bewoog. Als de machine wankelde, zou de laserpunt in een wijde cirkel dansen. De commerciële machines vertoonden aanzienlijk wankelen, waarbij de laserpunt aanzienlijk uit koers raakte. In contrast hiermee hield de OpenDrive de laserpunt bijna perfect stil, met een afwijking van minder dan 3 micrometer. Dit betekent dat de nieuwe machine de zijwaartse trillingen met meer dan 95 procent verminderde in vergelijking met de commerciële opties. Het team mat ook hoe nauwkeurig de machines een specifieke afstand aflegden. Ze ontdekten dat OpenDrive even precies was als de beste commerciële machine, en veel nauwkeuriger dan de andere, met fouten die zo klein waren dat ze nauwelijks meetbaar waren.

Naast de laboratoriumtests gebruikten de onderzoekers OpenDrive in echte experimenten met een rhesusaap. Ze lieten met succes sondes in verschillende delen van de hersenen zakken, waaronder diepe structuren zoals de thalamus en de cerebellum, evenals de buitenste lagen van de hersenen. Tijdens deze sessies hield de machine de sondes urenlang stabiel, waardoor het team de activiteit van duizenden neuronen kon registreren zonder dat de signalen uit focus raakten. Het systeem bevat ook software waarmee onderzoekers in realtime precies kunnen zien waar de sonde zich in de hersenen bevindt, waarbij het pad van de sonde over een 3D-kaart van de hersenen van het dier wordt gelegd. Deze visuele gids helpt wetenschappers om met vertrouwen specifieke doelen te richten.

De betekenis van dit werk strekt zich uit voorbij de prestaties van de machine zelf. Jarenlang waren de instrumenten die nodig zijn voor dit soort onderzoek duur en gesloten, wat betekende dat als een laboratorium een onderdeel wilde veranderen of een probleem wilde oplossen, ze moesten wachten op de fabrikant of een nieuwe, kostbare unit moesten kopen. OpenDrive is anders omdat elk onderdeel ervan open source is. De blauwdrukken, de code en de instructies zijn allemaal beschikbaar voor iedereen om te downloaden, te bouwen en te verbeteren. De totale kosten om een volledig systeem te bouwen zijn ongeveer 5.000 dollar, een fractie van de 50.000 dollar die nodig is voor vergelijkbare commerciële systemen. Door deze tools toegankelijk en aanpasbaar te maken, nodigen de onderzoekers de wereldwijde wetenschappelijke gemeenschap uit om samen te werken aan de hardware zelf. Zij geloven dat wanneer wetenschappers hun instrumenten openlijk kunnen delen en verbeteren, het tempo van ontdekkingen versnelt, waardoor meer laboratoria de complexe werking van de hersenen kunnen verkennen met de meest geavanceerde technologie die beschikbaar is.