تماشای شلیک سلول های مغز

دانشمندان راه های فراوانی برای تماشای شلیک –ارسال سیگنال های الکتریکی از یک سلول به سلول بعدی- یک نورون منفرد مغز در اختیار دارند، اما تمامی آن ها یک مشکل اساسی مشترک دارند. هر روش چه شامل کاوشگرهای الکتریکی، چه عوامل شیمیایی و چه تغییرات ژنتیکی باشد، به طریقی تهاجمی تر از آن است که مطلوب دانشمندان علوم اعصاب باشد.

اما تغییراتی را به زودی شاهد خواهیم بود؛ همان طور که محققان دانشگاه استنفورد گزارش کردند. آن ها روشی را برای تماشای سلول های مغز هنگام ارسال سیگنال های الکتریکی، تنها با کمک نور- تعداد کمی لنز و دیگر عناصر نوری و یک دوربین ویدئویی سریع-ایجاد کردند.

دنیل پلانکر، چشم پزشک و نویسنده‌ی اول این مقاله، بیان کرد: کلید این روش جدید تغییر شکل ظریف نورون ها به هنگام شلیک سیگنال های الکتریکی است. این تغییر نانومتری با استفاده از تکنیک های نوری قابل اندازه گیری است.

پلانکر، تونگ لینگ، دستیار فوق دکتری و نویسنده ی راهنمای این مقاله ی جدید به همراه تعدادی از دانشجویان این تغییر شکل های کوچک را همانند دیگر سلول ها که در ظروف کشت آزمایشگاهی بررسی می شوند در شبکه های نورونی اندازه گیری کردند. آن ها در حال سازگار کردن روش هایشان برای مطالعه نورون ها در مغز حیوانات زنده هستند. اگر موفق شوند، این روش جدید راهنمایی برای مطالعه طبیعی حداقل برخی از مناطق مغزی خواهد بود.

دکتر پلانکر که یکی از اعضای انجمن Bio-X دانشگاه استنفورد و انجمن علوم اعصاب Wu Tasi است، بیان کرد: «این روش کاملا طبیعی است، هیچ نشانگر شیمیایی، الکترود و هیچ چیز دیگری مورد استفاده قرار نمی گیرد».

شکل اجزا

به هنگام شلیک نورون ها، اتفاقات بسیاری رخ می دهد. البته یکی از این تغییرات سیگنال های الکتریکی است، که با استفاده از الکترودها قابل جمع آوری اند. همچنین تغییرات شیمیایی رخ می دهد، که با مولکول های فلئورسنتی که با شلیک نورونی روشن می شوند قابل تشخیص است.

سپس تغییرات شکل رخ می دهد. محققان ۴۰ سال قبل تغییرات شکل نورون ها را با مطالعه ی نورون های خرچنگ خاردار، تشخیص دادند. در سال ۱۹۷۷ یک تیم از محققان دانشگاه استنفورد و UCSF با اشعه لیزر به یک نورون شلیک کردند، آن ها مشاهده کردند که عرض سلول عصبی به هنگام فعالیت به اندازه ضخامت یک رشته DNA تغییر می کند.

تا به امروز، تبدیل این نتایج به یک روش نوری برای مشاهده ی شلیک نورون ها در مغز انسان و دیگر پستانداران با چندین چالش مواجه بوده است. برای مثال، نورون های خرچنگ خاردار ۱۰ تا ۱۰۰ هزار بار از نورون های انسان نازکترند. علاوه بر آن روشی که گروه اصلی از آن استفاده کردند –شکل ساده ای از انچه تداخل سنجی نامیده می شود-، تنها توان اندازه گیری یک ناحیه مجزا را دارد. به این معنی که این روش به جای تصویربرداری از تمام یک سلول یا شبکه ای از نورون هایی که در مغز با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند، تنها برای مطالعه ی منطقه ی کوچکی از سلول در یک زمان مشخص قابل استفاده است.

جرقه‌هایی در زمینه شلیک نورون

ابتدا، لینگ، پلانکر و همکاران، برای حل تعدادی از این مشکلات به انواع استانداردی از تداخل‌سنجی به نام فاز میکروسکوپی کمّی که به محققان امکان نقشه برداری از دورنماهای میکروسکوپی را می‌داد –برای مثال، دورنمایی از شبکه سلول‌هایی که بر یک صفحه شیشه‌ای در یک خط منظم شده‌اند- روی آوردند. این روش تا حدی ساده است که با شلیک نور لیزر به این سلول‌ها از طریق عبور آن از تعداد کمی لنزهای فیلتری و عناصر نوری و فیلترها، و کدگذاری مجدد داده‌های خروجی با دوربین قابل انجام است. سپس این تصویر برای تهیه نقشه توپوگرافیک از سلول‌ها پردازش می‌شود.

لینگ، پلانکر و گروهشان بیان کردند که با این روش می‌توانند میزان تغییر شکل نورون‌ها را به هنگام شلیک، اندازه گیری کنند. برای آزمودن این ایده، آن‌ها شبکه‌ای نورونی-همانند سلول‌های روی سطح شیشه‌ای، پرورش دادند و از یک دوربین فیلم برداری برای ثبت اتفاقاتی که به هنگام شلیک سلول‌ها - سلول‌های کلیه، سلول‌های استخراج شده‌ای که برای رفتار کردن بسیار مشابه به نورون‌ها اصلاح شده‌اند- - رخ می‌دهد، استفاده کردند. با همگام سازی فیلم و ثبت‌های الکتریکی و میانگین گرفتن از هزاران نمونه، گروه محققان قالبی را تهیه کردند که توضیح می‌داد سلول‌ها به هنگام شلیک کردن، چگونه حرکت می‌کنند: تقریبا در مدت چهار میلی ثانیه، ضخامت سلول یک صدم از یک درصد یعنی تقریبا به اندازه سه نانومتر افزایش می‌یابد. پس از رسیدن به حداکثر ضخامت خود، سلول بعد از گذشت یک دهم ثانیه به اندازه قبلی خود بازمی‌گردد.

تماشای سلول‌های مغز به هنگام فعالیت

در فاز اول آزمایش، گروه تحقیقاتی برای آگاهی از زمان شلیک نورون‌ها به الکترود نیازمند بود. در فاز دوم، اعضای گروه تحقیقاتی نشان دادند، ‌می‌توانند از قالبی که برای کشف هویت شلیک سلول‌‌ها تهیه کرده‌اند، بدون تکیه بر الکترودها استفاده کنند.

همچنان برای استفاده از این روش در مغز تیم تحقیقاتی باید مراحل دیگری را طی کند. در ابتدا، این روش باید روی نورون‌های واقعی انجام شود؛ در مقایسه با سلول‌های نورون مانندی که قبلا این روش روی آن‌ها انجام شد.

چالش دوم این است که نورون‌‌ها در مغز واقعی، همانند آزمایشگاه بر یک لایه منفرد روی یک صفحه شیشه‌ای مرتب نشده‌اند. در حقیقت، تیم محققان نمی‌توانند به مغز، لیزر شلیک کنند و انتظار داشته باشند اطلاعات خارج شده از سمت دیگر، داده‌‌های مفیدی باشند. خوشبختانه پلانکر بیان کرد، روش‌هایی که در آن برای عبور نور استفاده کردند‌‌، همانند انعکاس‌دهنده‌ی نور عمل می‌کنند، و بیشتر نورون‌‌ها به میزان کافی نور منعکس می‌کنند که نشان می‌دهد این نظریه در عمل قابل استفاده است.

محدودیتی وجود دارد که به نظر می‌رسد تیم تحقیقاتی نمی‌تواند بر آن غلبه کند؛ از آن جایی که نور نمی‌تواند تا اعماق مغز نفوذ کند، روش جدید فقط برای کاوش لایه‌های خارجی قابل استفاده خواهد بود. همچنان، برای طرح‌‌هایی که مستلزم مطالعه این لایه ‌ها هستند، این روش به محققان امکان مطالعه‌ی آسانتر و پاک‌‌تر (با آسیب کمتر) مغز را می‌دهد.

پلانکر بیان کرد: «معمولا روش‌‌های تهاجمی بر آنچه سلول‌‌ها انجام می‌دهند اثر می‌گذارند، بنابراین اندازه گیری‌ها اعتبار کمی دارند. در این روش شما با سلول کاری ندارید (سلول را دستکاری نمی‌کنید)، شما صرفا حرکت آن‌ها را تماشا می‌کنید.

منبع: science daily

مترجم: مبینا ترابی، عضو شاخه‌ی دانشجویی نقشه برداری مغز