تکنیک میکروسکوپی جدید مکانیزم‌های اعماق مغز را برای ما روشن می‌کند

برای درک مغز، محققان باید بتوانند مغز را سلول به سلول و لحظه به لحظه تحت نظر داشته باشند. اما، از آنجایی که مغز از میلیاردها قسمت متحرک کوچک تشکیل شده است، ثبت فعالیت‌های تمامی مغز چالش‌های زیادی را در پی خواهد داشت. برای مثال، در مغز بسیار پیچیده‌ی پستانداران، ردیابی تغییرات بسیار سریع در چندین ناحیه‌ی مغزی کار بسیار دشواری است، مخصوصا وقتی این ساختارهای مورد نظر، در اعماق مغز قرار گرفته باشند.

یک تکنیک میکروسکوپی جدید، که توسط دانشمندان مرکز راکفلر به رهبری علی پاشا وزیری توسعه یافته است، رویکردهای جدید و قدیمی را با هم ترکیب می‌کند تا به یک تصویر منسجم از مغز برسد. بر اساس گزارش Cell، این فناوری قادر است فعالیت سلولی را در حجم‌های بزرگ بافت عصبی، با سرعت بسیار بالا، و در عمقی بیشتر از آنچه تا کنون میسر بوده، ثبت و ضبط کند.

مبتنی بودن بر لیزر

برای چندین دهه، تصویربرداری مغزی پر شده بود از قربانی کردن یک عامل برای عامل دیگر. برخی تکنیک‌ها تصاویر زیبایی تولید می‌کردند، ولی توان ثبت فعالیت مغزی در لحظه (به صورت زنده) را نداشتند. دیگر تکنیک‌ها می‌توانستند با سرعت عملکردهای مغزی هماهنگ شده و پا به پای تغییرات مغزی، تصویر تولید کنند، اما از رزولوشن مکانی بسیار بدی بهره می‌بردند. اگرچه تاکتیک‌هایی وجود دارد که سرعت و کیفیت تصویر را باهم به دست دهد، اما این تاکتیک‌ها هم عموما تنها بر تعداد کمی از سلول‌ها عمل می‌کنند و توانایی تصویربرداری از حجم زیاد سلولی را ندارند.

علی پاشا وزیری رییس آزمایشگاه نوروتکنولوژی و بیوفیزیک راکفلر می‌گوید: دلیل این قربانی شدن‌ها این است که محدودیت‌هایی که این اعمال را کنترل می‌کنند به درستی مطالعه نشده، یا به صورت نظام مند و گسترده به آن رسیدگی نشده بود.

با امید پایان دادن به دوره‌ی قربانی کردن فاکتورها، وزیری اخیرا به دنبال توسعه‌ی تکنیکی به نام میکروسکوپی دو فوتونه فعالیتش را آغاز کرد. این تکنیک شامل استفاده از لیزر برای فلوئورسنت کردن یا منور کردن قسمت‌هایی از بافت مغزی است، و برای بسیاری از محققان این تکنیک سال‌ها به عنوان استاندارد طلایی در ردیابی عملکرد سلولی مغزی به کار رفته است.

با این حال، این تکنیک محدودیت‌های خود را دارد. تکنیک میکروسکوپی دو فوتونه نیازمند اسکن کردن نقطه به نقطه‌ی یک محدوده ‌ی مشخص است، که نتیجه‌ی آن سرعت پایین تصویربرداری است. برای حل این مشکل، وزیری و همکارانش یک استراتژی جدید را به کار گرفته‌اند که به آن‌ها اجازه می‌دهد از چندین ناحیه‌ی مغزی به صورت همزمان تصویربرداری کنند، و در عین حال اندازه و شکل هر منطقه ی ضبط شده را نیز کنترل کنند.

یکی دیگر از نقطه ضعف‌های تکنیک دوفوتونه این است که این تکنیک تنها سطح یا کورتکس مغز را اندازه گیری می‌کند و ساختارهایی که در اعماق مغز دفن شده‌اند، مانند هیپوکامپوس که در ذخیره‌سازی خاطرات دخیل است، توسط این سیستم قابل دسترسی نیستند.

وزیری می‌گوید: یکی از بزرگترین چالش‌ها در نوروساینس توسعه‌ی یک تکنیک تصویربرداری است که بتواند فعالیت نواحی عمیق مغزی را با حفظ رزولوشن بالا، اندازه گیری کند.

با قبول این چالش، وزیری و همکارانش تصمیم گرفتند که از یک تکنولوژی جدیدتر استفاده کنند: میکروسکوپی سه فوتونه. درحالی که تکنیک دوفوتونه امکان نفوذ به اعماق مغز موش را ندارد، تکنیک سه فوتونه می‌تواند به قسمت‌های عمقی‌تر نفوذ کند. در این تکنیک جدید که hybrid multiplexed sculpted light microscopy و یا HyMS نامیده می‌شود، آخرین اختراع وزیری به طور همزمان تکنیک‌های دوفوتونه و سه فوتونه را اعمال می‌کند، و به محقق این امکان را می‌دهد که یک تصویر بسیار سریع از فعالیت سلولی مغز در لایه‌های مختلف مغزی تولید کند.

علاوه بر استراتژی ترکیبی لیزری، HyMS از دیگر پیشرفت‌های جدید در این حوزه نیز بهره می‌برد، رویکردی هم‌افزا که به گفته‌ی وزیری، مسیر توسعه‌ی این فناوری را روشن کرده است. او می‌گوید هدف از این کار بیشینه کردن میزان اطلاعات بیولوژیکی است که می‌تواند از طریق تهییج چند فوتونه میکروسکوپی به دست بیاید و در عین حال میزان گرمای تولید شده توسط این روش را به حداقل برساند. هنگامی که در حال تست این سیستم جدید بودند، دانشمندان توانستند اطلاعات بسیار زیادی به دست بیاورند.

تکنیک HyMS بیشترین نرخ تصویر در تکنیک سه فوتونه را افزایش می‌دهد، که به این معنی است که می‌تواند تغییرات بیولوژیک را با سرعتی باورنکردنی ثبت کند و آن جایی که تکنیک‌های قبلی تنها یک سطح از بافت را اسکن می‌کردند، این تکنولوژی می‌تواند از تمامی بافتِ نمونه اطلاعات کسب کند و به کاربر اجازه دهد که از تقریبا ۱۲ هزار نورون به صورت همزمان تصویربرداری کند. یکی دیگر از مزایای HyMS توانایی اندازه‌گیری فعالیت نورون‌ها در اعماق مختلف مغزی، به صورت همزمان است. از آنجایی که لایه‌های مختلف مغزی دائما در حال تبادل سیگنال هستند، ردیابی برهمکنش‌های بین این لایه‌ها و نواحی کلید درک درست عملکرد این اندام محسوب می‌شود.

وزیری می‌گوید: پیش از این، دانشمندان حتی قادر نبودند که فعالیت نورون‌ها را به صورت همزمان در کل عمق کورتکس مشاهده کنند، که خود دارای چندین لایه است. با این تکنولوژی شما می‌توانید جریان یافتن اطلاعات درون کورتکس و بین کورتکس و ساختارهای زیر آن را به درستی مشاهده کنید.

علاوه بر اسکن کردن عمق‌هایی که تا کنون امکان پذیر نبوده است، HyMS به محققان این اجازه را می‌دهد که فعالیت‌های مغزی حیوانات را در زمانی که به طور فعال با محیط در کنش هستند، ثبت و ضبط کنند. در یک آزمایش که اخیرا انجام شده، محققان از این تکنیک برای ثبت سیگنال‌های هزاران نورون مغز موش، در حالی که روی تردمیل در حال راه رفتن بود یا به صدایی گوش می‌داد، استفاده کرده‌اند. این موضوع که محققان قادر بودند به خوبی عمل ثبت سیگنال‌ها را انجام دهند، پیشنهاد می‌کند که این تکنیک می‌تواند برای نظارت بر جمعیت بزرگی از نورون‌ها، در حالی که حیوان مشغول انجام وظایف تعریف شده است، استفاده شود. این کاربرد می‌تواند به روشن شدن مکانیزم‌های عصبی که زمینه ساز جنبه‌های مختلفی از رفتار و شناخت هستند، کمک کند.

علاوه بر این‌ها، وزیری می‌گوید که تکنیک‌هایی مانند HyMS برای محققانی که امیدوارند درک درست‌تری از چگونگی پردازش اطلاعات توسط مغز بدست آورند، حیاتی خواهد بود. نورون‌ها در مغز با شدت زیادی به یکدیگر متصل هستند و اطلاعات اغلب نه به وسیله‌ی یک نورون، بلکه به وسیله‌ی وضعیت یک شبکه خود را ارائه می‌کند.

او می‌گوید: برای درک دینامیک یک شبکه، شما باید اندازه گیری‌های دقیقی از یک بخش بزرگ از مغز، و در سطح یک نورون تنها داشته باشید و این چیزی است که ما در اینجا انجام داده‌ایم.

منبع: پایگاه خبری دانشگاه راکفلر