حسگر جدید MRI می‌تواند فعالیت اعماق مغز را تصویربرداری کند

کلسیم یک نشانگر مولکولی ضروری برای بسیاری از سلول‌ها و به ویژه نورون‌ها است. تصویربرداری کلسیم در سلول‌های مغزی، نحوه‌ی ارتباط نورون‌ها با یکدیگر را نمایان می‌کند؛ اگرچه روش‌های تصویربرداری متداول تنها تا چند میلی متر در مغز نفوذ می‌کنند.

امروزه محققان دانشگاه MIT روش جدیدی طراحی کرده‌اند تا فعالیت کلسیم را براساس تشدید مغناطیسی (MRI) تصویربرداری کنند. این روش به آنان این امکان را می‌دهد تا بخش‌های عمیقتری از مغز را نمایان کنند. با استفاده از این روش آن‌ها قادر خواهند بود فرایندهای نشانگر داخل نورون حیوانات زنده را ردیابی کنند که امکان ارتباط دادن فعالیت‌های نورونی با رفتارهای خاصی را فراهم می‌کند.

آلن جازانوف از دانشگاه MIT بیان کرد: «این مقاله اولین ردیابی نشانگر کلسیم درون‌سلولی براساس MRI را شرح می‌دهد، و بسیار مشابه رویکردهای قدرتمند نوری است که به طور گسترده در علوم اعصاب مورد استفاده قرار می‌گیرد و هم اکنون، انجام چنین محاسباتی برای بافت‌های عمیق مغز در vivo را ممکن می‌سازد.»

ورود به داخل سلول‌ها

نورون‌ها در حالت استراحت سطح کلسیم بسیار پایینی دارند. اگرچه زمانی که یک پالس الکتریکی شلیک می‌کنند، کلسیم به داخل سلول جریان می‌یابد. در طی چند دهه‌ي اخیر، دانشمندان روش‌هایی را طراحی کرده‌اند تا با نشان‌دار کردن کلسیم با مولکول‌های فلوئورسنت فعالیت آن را تصویربرداری کنند. این فرایند بر سلول‌هایی که در ظروف آزمایشگاهی رشد می‌یابند، و یا بر مغز حیوانات زنده، قابل انجام است، اما این نوع تصویربرداری میکروسکوپی تنها تا چند دهم میلی متر در بافت نفوذ می‌کند، و بسیاری از مطالعات را به بررسی سطح مغز محدود می‌کند.

جازانوف بیان کرد: «با این ابزار کارهای بسیار جالبی می‌توان انجام داد اما ما ابزاری می‌خواستیم که به خودمان و دیگران امکان مشاهده عمیقتر سطح نشانگرهای درون سلولی را بدهد.» برای دستیابی به این هدف گروه محققان MIT به روش غیرتهاجمی MRI روی آوردند که واکنش‌های مغناطیسی میان ماده‌ی کنتراست‌زای تزریق شده و مولکول‌های آب درون سلول را ردیابی می‌کند.

بسیاری از دانشمندان در حوزه حسگرهای کلسیم براساس MRI فعالیت می‌کنند، اما یک مشکل بزرگ توسعه عامل کنتراست‌زا برای ورود به سلول‌های مغز بوده است. سال گذشته، آزمایشگاه جازانوف حسگر MRI ایجاد کرد که می‌توانست تجمع کلسیم خارج سلولی را اندازه گیری کند، اما این روش براساس نانو ذراتی بود که برای ورود به سلول بسیار بزرگ بودند. محققان برای ایجاد حسگرهای درون سلولی کلسیم از اجزایی استفاده کردند که می‌توانستند از غشای سلولی عبور کنند. عامل کنتراست‌زا حاوی منگنز است، فلزی که با میدان مغناطیسی به صورت ضعیفی واکنش داده، و یک ترکیب ارگانیک است که ‌می‌تواند به غشای سلولی نفوذ کند. این مجموعه همچنین دارای یک بازوی متصل به کلسیم به نام چیلیتور است. زمانی که سطح کلسیم داخل سلول پایین باشد، چیلیتور به صورت ضعیفی به اتم منگنز متصل می‌شود و از منگنز برای ردیابی توسط MRI محافظت می‌کند. زمانی که کلسیم به داخل سلول جریان یابد، چیلیتور به منگنز متصل می‌شود و منگنز را آزاد می‌‌کند، که باعث می‌شود عامل کنتراست‌زا در تصویر MRI روشن تر ظاهر شود. جازانوف افزود: «زمانی که نورون‌ها یا دیگر سلول‌های مغزی به نام گلیا، تحریک شوند، تجمع کلسیم داخل آن‌ها بیش از ده برابر افزایش می‌یابد.»

اندازه گیری‌های دقیق

محققان حسگر خود را با وارد کردن به ناحیه‌ای در اعماق مغز موش به نام جسم مخطط (striatum)، که در برنامه ریزی حرکتی و یادگیری رفتارهای جدید نقش دارد، مورد آزمون قرار دادند. آن‌ها سپس از یون پتاسیم برای تحریک فعالیت الکتریکی نورون‌های جسم مخطط استفاده کردند، و توانستند پاسخ‌ به کلسیم داخل این سلول‌ها را اندازه گیری کنند. جازانوف امیدوار است از این روش برای شناسایی دسته‌های کوچکی از نورون‌ها که در رفتارهای مشخصی نقش دارند، استفاده کند. این روش به علت اندازه گیری مستقیم نشانگرهای داخل سلول، قادر است اطلاعات دقیقی در رابطه با موقعیت مکانی و زمان فعالیت نورون‌ها نسبت به MRI عملکردی (fMRI) که جریان خون در مغز را اندازه گیری می‌کند، ارائه کند.

جازانوف بیان کرد: «این روش برای آگاهی از نحوه فعالیت مناطق مختلف مغزی با یکدیگر برای پردازش محرک یا هماهنگ کردن رفتار، سودمند است.» علاوه براین، این روش برای تصویربرداری کلسیم به هنگام اجرای نقش‌های متعدد دیگر مانند تسهیل فعال سازی سلول‌های ایمنی، قابل استفاده است. پس از انجام تغییرات بیشتر، این روش روزی برای تصویربرداری تشخیصی مغز یا دیگر اعضایی که عملکرد آن‌ها مبتنی بر کلسیم است مانند قلب، قابل استفاده خواهد بود.

منبع:Science daily

مترجم: مبینا ترابی، مسئول اخبار شاخه دانشجویی نقشه برداری مغز