میکروسکوپ دو فوتونی و توانایی تصویربرداری از مغز

درک بیشتر ما از مغز انسان، نیازمند بینش جدیدی در مورد نحوه عملکرد مدارهای عصبی در پستانداران از جمله موش های آزمایشگاهی است. در این تحقیقات برای نظارت بر فعالیت مغز، دانشمندان نیازمند میکروسکوپی با وضوح کافی برای مشاهده نورون ها و سایر اجزای اطراف آنها هستند. این خبر به بررسی میکروسکوپ دو فوتونی و توانایی تصویربرداری از مغز می پردازد.

خب حالا داستان چیه؟

میکروسکوپ فلورسانس دو فوتونی، توانایی محققان را برای مشاهده نورون ها و اجزای اطراف آنها به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. آزمایشگاه اسپنسر اسمیت در دانشگاه کالیفرنیا، کانونی تحقیقاتی برای پیشرفت و گسترش این فناوری است. اسمیت به عنوان محقق اصلی کنسرسیوم تصویربرداری عصبی چند فوتونی در تلاش است تا مرزهای میکروسکوپ های چند فوتونی را برای تحقیقات علوم اعصاب، گسترش دهد. بودجه 9 میلیون دلاری این تحقیقات، توسط بنیاد علوم تامین شد. بنیاد علوم حاصل ابتکار و نوآوری رئیس جمهور سابق آمریکا، اوباما است.
اسمیت و همکارانش تولید یک میکروسکوپ جدید را در مجله ارتباطات طبیعی 17 نوامبر گزارش کردند. این میکروسکوپ جدید به عنوان یک موتور اسکن پیشرفته دوگانه برای تصویربرداری دو فوتونی با میدان دید بزرگ معرفی شد.

روش تحقیقاتی این تیم

تحقیقات تیم اسمیت

میکروسکوپ دو فوتونی گروه اسمیت توانایی تصویربرداری جدیدی از مغز را فراهم می کند. این دستگاه دارای بزرگترین میدان دید در بین ابزارهای مشابه است که مناطق مختلف درون سلولی مغز را به وضوح نشان می دهد.

اسمیت توضیح داد:”تیم ما برای بهبود عملکرد میکروسکوپ قدیمی، سه هدف را دنبال کرد. 1. وضوح برای مشاهده نورون‌های منفرد 2.میدان دید برای عکس گرفتن از چندین ناحیه مغز به طور همزمان و  3.سرعت تصویربرداری برای ثبت تغییرات در فعالیت نورون‌ها. یکی از مزایای این میکروسکوپ، سرعت بالای ثبت تصویر است. برای مثال، تصویر برداری رویدادهایی که ما به آن ها علاقه مندیم، کمتر از یک ثانیه طول می کشند. ما زمانی برای حرکت دادن میکروسکوپ نداریم و باید همه چیز را در یک عکس بگیریم. در حالی که باید مطمئن شویم که اپتیک می تواند پالس های فوق سریع نور لیزر را متمرکز کند.”

مقایسه میکروسکوپ تصویر برداری دو فوتونی با نسخه های قبلی

هر کدام از لیزر های قدرتمند ساختار سیستم‌های تصویربرداری دو فوتونی دارای ارزش 250000 دلاری هستند. این لیزر ها، پالس‌ های نور بسیار سریع و شدیدی دارند. هر کدام از این ها بیش از یک میلیارد برابر روشن‌ تر از نور خورشید هستند و سرعتشان 0.0001 نانوثانیه است. یک پرتو منفرد، با 80 میلیون پالس در ثانیه، به دو قسمت موتور اسکن کاملاً مستقل تقسیم می‌شود. همچنین باعث اسکن دو ناحیه به طور همزمان توسط میکروسکوپ می شود. هر کدام برای پارامترهای تصویربرداری مختلف به طور خاصی ایجاد شدند.

در نسخه های قبلی این ابزار، دو لیزر به هم متصل اند و با پارامتر های یکسانی در کنار هم قرار گرفتند. این نوع ترکیب، نمونه برداری را به شدت محدود می کند. پارامتر های اسکن بهینه، مانند سرعت فریم و اندازه ناحیه اسکن از لحاظ تجربی متفاوت هستند. این ابزار جدید امکان استفاده از پارامتر های اسکن مختلف را به هر دو پرتو می‌دهد. دستگاه جدید ازچندین بخش ویژه شامل رله های نوری، لنز اسکن، لنز لوله و لنز شیئی طراحی شده است. در حال حاضر به دلیل توانایی این دستگاه جدید در تصویربرداری با سرعت بالا، در نواحی مختلف مغز مانند فعالیت های عصبی استفاده می شود.

اسمیت و همکارانش مدت ها قبل از انتشار رسمی مقاله جدید، یک پیش نسخه از آن منتشر کردند. محتوای این پیش نسخه شامل جزئیات مهندسی مورد نیاز برای تکرار آزمایشات ساخت میکروسکوپ دوفوتونی بود. آن ها همچنین این فناوری را با همکاران خود در دانشگاه بوستون به اشتراک گذاشتند. در نتیجه محققان آزمایشگاه جری چن، تغییراتی را مطابق با آزمایشات خود اعمال کردند.

اساس تحقیقات در تصویربرداری دو فوتونی میکروسکوپ فلورسانس

اسمیت می گوید:” این موضوع بسیار عالی است که محققان مجبور نبودند مانند ما از صفر شروع کنند و می توانستند از کار ما استفاده کنند. مقاله جری بلافاصله پس از مقاله ما منتشر شد و دو شرکت INSS و CoSys سیستم هایی را بر اساس طرح های ما فروختند. هیچ حق ثبت اختراعی در استفاده از این فناوری وجود ندارد. در نتیجه این فناوری برای همه آزاد است تا از آن استفاده کنند و هر طور که صلاح بدانند آن را تغییر دهند.”

میکروسکوپ دو فوتونی یک نوع تخصصی از میکروسکوپ فلورسنت است. برای انجام چنین کاری در آزمایشگاه اسمیت، محققان نیازمند دستکاری ژنتیکی موش‌ها هستند. درواقع با علم مهندسی ژنتیک، باید نورون‌های آن‌ها دارای نشانگر فلورسنت در فعالیت نورون باشند. این نشانگر با ترکیب یک پروتئین فلورسنت از عروس دریایی و یک پروتئین متصل به کلسیم که در طبیعت وجود دارد؛ ایجاد می شود. وقتی لیزر به سمت نورون قرار می گیرد و نورون در حالت تحریک است، کلسیم وارد نورون می شود. پروتئین، کلسیم را پیدا می کند و در نهایت فلورسانس می کند. پس این رویکرد از افزایش کوتاه و مرتبه‌ای در کلسیم استفاده می‌کند تا نورون را تحریک کند.

تصویربرداری دو فوتونی میکروسکوپ فلورسانس، با استفاده از رفتار کوانتومی فوتون‌ها افزایش می یابد. این عمل از تولید مقدار قابل توجهی نور فلورسانس خارج از فوکوس جلوگیری می‌کند. در میکروسکوپ نوری معمولی، از نور منبعی برای برانگیختن نمونه استفاده می‌ شود و به گونه‌ ای وارد آن می‌ شود که یک مخروط عمودی از نور تولید می‌ کند. این نور تا ناحیه ی مرکز هدف باریک می‌شود و سپس یک مخروط معکوس در زیر آن نقطه ایجاد می‌کند. هر نوری که در باریک ترین نقطه نباشد، خارج از ناحیه فوکوس خواهد بود.

عملکرد نور و میکروسکوپ دو فتونی

نور در یک میکروسکوپ دو فوتونی رفتار متفاوتی دارد و یک نقطه نوری واحد ایجاد می کند که در ناحیه فوکوس واضح است. همچنین تمام نور های خارج از فوکوس را از رسیدن به لنز تصویربرداری حذف می کند. اسمیت توضیح می دهد:” تصویر فقط نور را از سطح مورد نظر نشان می دهد و بدون سیگنال، پس زمینه زیادی از بالا یا پایین سطح مورد نظر به وجود می آید. مغز دارای خواص نوری و بافتی مانند کره است؛ همچنین پر از لیپید ها ومحلول های آبی است که دیدن آن را سخت می کند. با تصویربرداری نوری معمولی، شما می توانید فقط قسمت بالای مغز را ببینید. تصویربرداری دو فوتونی به ما این امکان را می دهد که تصویر عمیق‌تر شده و همچنین به وضوح زیر سلولی برسد.”

یکی دیگر از مزایای نور برانگیخته دو فوتونی این است که از نور کم انرژی و طول موج بلند تر استفاده می کند. چنین نوری هنگام عبور از بافت کمتر پراکنده می شود، بنابراین می توان آن را در عمق بافت متمرکز کرد. علاوه بر این، نور با انرژی کمتری نسبت به طول موج‌های کوتاه‌ تر مانند نور ماوراء بنفش، آسیب کمتری به نمونه وارد می‌کند.

آزمایشگاه اسمیت این دستگاه را در آزمایش‌ هایی روی موش‌ها، استفاده کرد. مغز آن‌ها را در حین انجام کارهایی مانند تماشای ویدیو یا حرکت در محیط‌های واقعیت و مجازی مشاهده کرد. در جمجمه هر موش یک کاشت شیشه ای انجام شده است که یک دریچه ی واقعی برای میکروسکوپ در ورود به مغزش ایجاد میکند.

نتیجه گیری

اسمیت می گوید:”من می خواهم با درک اصول محاسباتی در مدارهای عصبی کارهای جالبی انجام دهیم. برای مثال در حال حاضر نمی توانیم از این علم در ماشین ها استفاده کنیم. اما ما می‌توانیم ماشینی بسازیم که بسیاری از کارها را بهتر از ما انجام دهد اما برای موارد دیگر، امکان پذیر نیست.

ما نوجوانان را برای رانندگی ماشین آموزش می‌دهیم اما ماشین‌های بدون سرنشین در طیف وسیعی از موقعیت‌هایی که انسان‌ها این کار را نمی‌کنند، شکست می‌خورند. سیستم‌هایی که ما برای یادگیری عمیق استفاده می‌کنیم براساس بینش‌های مغز هستند. آن ها بسیار خوب کار می‌کنند، اما در حال حاضر ضعیف و آسیب پذیر هستند. برای مقایسه، می‌توانیم موشی را در یک اتاقی که هرگز در آن نبوده است، قرار دهیم. آن به جایی می‌رود که من نمی‌توانم به آن منطقه برسم. او با هیچ دیواری برخورد نمی‌کند و این کار را با مهارت بالا و با توان حدود یک وات انجام می دهد.”

اسمیت ادامه داد:” اصول محاسباتی جالبی وجود دارد. ما هنوز نمی‌توانیم آن‌ها را در ماشین‌های ساخت بشر که در مغز موش‌ها وجود دارد تکرار کنیم و من می‌خواهم این را کشف کنم. به همین دلیل می‌خواستم این میکروسکوپ را بسازم.”

منابع:

• Che-Hang Yu, Jeffrey N. Stirman, Yiyi Yu, Riichiro Hira, Spencer L. Smith. Diesel2p mesoscope with dual independent scan engines for flexible capture of dynamics in distributed neural circuitry. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-26736-4

مترجم: پرنیا محمدی | تولید محتوا و ویراست: پرنیا فواکهی

بیشتر مطالعه کنید: تکنیک جدید تصویربرداری