میکروالکترودهای شفاف، نقشه برداری از فعالیت‌های مغزی را بهبود می‌بخشند

فناوری‌های زیادی در حوزه‌ی نقشه برداری مغز وجود دارد، اما هیچ یک رزولوشن لازم برای ردیابی فعالیت‌های سلولی و الگوهای مولکولی زیربنای فعالیت‌های مغزی را ندارند.

دانشمندان به دنبال آن هستند که رزولوشن زمانی ثبت الکتروفیزیولوژی را با رزولوشن مکانی بدست‌آمده از تصویربرداری دوفوتون نوسانات کلسیوم عصبی ترکیب کنند. اما این امر نیازمند تولید الکترودهای خاصی می‌باشد که فعالیت عملکردی خوبی برای الکتروفیزیولوژی داشته، و در عین حال در مقابل نور شفاف باشند تا تصویربرداری دوفوتونه قابل انجام باشد.

چندین ماده‌ی مختلف برای استفاده به عنوان الکترودهای شفاف تا به حال مورد استفاده قرار گرفته اند، اما هنگامی که در مقیاس اندازه‌گیری فعالیت تک سلول‌های عصبی قرار می‌گیرند، عملکرد الکتریکی همه آن‌ها به شدت ضعیف است. در این بین نسبت سیگنال به نویز بیشترین آسیب را می‌بیند، چرا که در مقیاس میکرومتر، مقاومت مختلط الکترود به امپدانس بالا و در نهایت نویز بالای متناظر با آن ختم می‌شود.

طی دوسال گذشته، گروه تحقیقاتی دکتر Fang از دانشگاه Northeastern ماده‌ی جدیدی برای میکروالکترودهای شفاف تولید کرده است. این ماده از همان مواد رایج برای تولید الکترودها استفاده می‌کند، اما سوراخ‌هایی در ابعاد نانومتری در آن وجود دارد که چیزی شبیه تور ایجاد کرده و باعث ایجاد شفافیت در مقیاس ماکروسکوپی می‌گردد.

فنگ در حال حاضر آرایه ای از میکروالکترودهای فعال را تولید کرده و با همکاری Michela Fagiolini ، نوروبیولوژیست از بیمارستان کودکان بوستون، در حال اعتبارسنجی عملکرد الکترود‌ها در کورتکس بینایی موش زنده می‌باشد.

نانومش سازی

برای تبدیل فلزات نانومش به الکترودهای با عملکرد بالا، محققان یک ماده‌ی با آمپدانس پایین (۳و۴-پلی‌اتیلن دی‌اکسی‌تیوفن) پلی استیرن سولفونات را بر آن روکش کرده اند، و دو لایه روکش با ضخامت‌های 25 نانومتر و 85 نانومتر طلا ایجاد کرده اند. با این حال، این کار بسیار دشواری بوده است، چرا که حفره‌های موجود بر روی روکش‌ها باید به صورت دقیق با حفره‌های موجود بر روی الکترودها تراز می‌شدند تا نور بتواند از هردو همزمان عبور کرده و فعالیت نوری الکترود مختل نشود. فنگ معتقد است تلاش وصف ناپذیر شاگردانش پشتوانه‌ی این کار بوده که در نهایت به تولید الکترودهایی ختم شده که به خوبی ساختار شفاف نانومش را حفظ کرده اند.

میکروالکترود 32 کانال روی یک فیلم شفاف و منعطف parylene C تولید شده است، تا کاربری‌های آن در علوم زیستی بهبود یابد. گروه تحقیقاتی فنگ سپس کار خود را برای آزمودن ویژگی‌های فیزیکی و الکتریکی میکروالکترودهای جدید ادامه دادند.

پیش از انجام آزمون‌های in vivo گروه تحقیقاتی به دنبال حذف آرتیفکت‌هایی بود که در ثبت الکتروفیزیولوژی وجود دارند و توسط تحریکات عصبی ایجاد می‌شوند. آن‌ها با مهندسان زیستی دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس، که از روش‌های پیشرفته‌ی حذف آرتیفکت استفاده می‌کردند، شروع به همکاری کردند.

گروه فاگیولینی در بیمارستان کودکان بوستون آرایه میکروالکترودها را دریافت کرده و توانایی‌های آن را در موش زنده، مورد ارزیابی قرار دادند. میکروالکترودهای شفاف در پنجره‌های کرانیال درون جمجمه‌ی موش بالغ کاشته شده و سر موش‌ها با استفاده از یک نوار در طی تصویربرداری ثابت نگه داشته شد. پس از جراحی، یک شاخص کلسیوم که بیان کننده‌ی ویروس بوده، به کورتکس بینایی موش‌ها تزریق شد.

بیست روز پس از جراحی، تیم تحقیقاتی محرک‌های بینایی به موش القا کرده و همزمان الکتروفیزیولوژی و تصویربرداری دو فوتونه در 2/3 لایه‌ی قشر بینایی موش را آغاز کردند.

داده‌های ثبت شده از الکتروفیزیولوژی کارایی بالایی را به ثبت رسانده و در عین حال امپدانس بسیار کم و پایداری بدست آمد، در حالی که شفافیت مناسب الکترودها به کیفیت خوب تصاویر دوفوتونه منتج شد. فنگ می‌گوید:" اعتبار سنجی هماهنگی الکتروفیزیولوژی با تصویربرداری با موفقیت انجام شد."

اما در عین حال فنگ اشاره می‌کند که دینامیک کلسیم سیستم تصویربرداری دوفوتون را به فرکانس‌های پایین محدود کرده است:" در سطوح فرکانسی پایین داده‌ها با هم مطابقت داشتند، اما در فرکانس‌های بالا ما تنها می‌توانیم بر داده‌های الکتروفیزیولوژی تکیه کنیم."

نقشه برداری از فعالیت‌های نورونی

گروه فنگ در حال حاضر مشغول به کار روی الکترودهای شفاف جدیدی است که چندصد کانال دارند. با این حال الگوریتم‌های پیشرفته‌ای برای نقشه برداری دقیق از هر سیگنال شناسایی شده از هر نورون خاص، مورد نیاز است.

فنگ توضیح می‌دهد:" گام بعدی ما گرفتن رزولوشن مکانی خوب تصویربرداری کلسیم، و رزولوشن زمانی خوب الکتروفیزیولوژی، و ترکیب این دو باهم، برای تهیه ی یک تصویر کامل است."

علیرغم آنکه بسیاری از روش‌های تصویربرداری نوری به دلایل اخلاقی بر روی انسان قابل اجرا نیست، گروه تحقیقاتی امیدوار است که این کار پژوهشی در نهایت به دست یافتن به یک بینش جدید درباره‌ی نوروبیولوژی انسانی منجر شود.

منبع: دنیای فیزیک