این ابزار جدید به دانشمندان اجازه می‌دهد تا فعالیت مغز را تماشا کنند!

حدود ده سال پیش، دانشمندان شروع به بررسی یک ایده نامتعارف برای مطالعه مغز کردند: استفاده از نور زیست‌تابی (Bioluminescence) برای مرئی کردن فعالیت‌های عصبی. آن‌ها به جای تاباندن نور به مغز از خارج، به این فکر افتادند که آیا می‌توان نورون‌ها را مهندسی کرد تا خودشان نور تولید کنند!

کریستوفر مور، استاد علوم مغز در دانشگاه براون، می‌گوید:

ما به این فکر افتادیم که: ‘چه می‌شود اگر بتوانیم مغز را از داخل روشن کنیم؟’

او افزود:

تاباندن نور به مغز برای اندازه‌گیری فعالیت – معمولاً از طریق فرآیندی به نام فلورسانس (Fluorescence) – یا برای تحریک فعالیت در سلول‌ها به منظور آزمایش نقش آن‌ها استفاده می‌شود. اما تاباندن لیزر به مغز در آزمایش‌ها دارای اشکالاتی است، اغلب به سخت‌افزار فانتزی و نرخ موفقیت پایین‌تر نیاز دارد. ما به این نتیجه رسیدیم که می‌توانیم به جای آن از زیست‌تابی استفاده کنیم!

راه‌اندازی مرکز زیست‌تابی

این ایده به ایجاد مرکز زیست‌تابی (Bioluminescence Hub) در انستیتوی علوم مغز کارنی (Carney Institute for Brain Science) براون کمک کرد که به‌طور رسمی در سال ۲۰۱۷ راه‌اندازی شد. این تلاش با حمایت یک کمک مالی عمده از سوی بنیاد ملی علوم (National Science Foundation) انجام شد و بر پایه همکاری‌های مور (مدیر همکار انستیتوی کارنی)، دایان لیپسکامب (مدیر انستیتو)، اوته هوخشوندر (در دانشگاه میشیگان مرکزی) و ناتان شانر (در دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو) بنا شد.

این گروه تصمیم گرفتند تا با فعال کردن سلول‌های سیستم عصبی برای تولید نور و واکنش به آن، ابزارهای جدید علوم اعصاب را طراحی و به اشتراک بگذارند.

معرفی CaBLAM، یک ابزار جدید زیست‌تابی مغز

در مطالعه‌ای که در ژورنال Nature Methods منتشر شد، محققان یک سیستم تصویربرداری زیست‌تابی را که اخیراً ایجاد کرده‌اند، توصیف کردند. این ابزار که به عنوان «نظارت‌کننده فعالیت زیست‌تابی کلسیم یون +۲» (Ca2+ BioLuminescence Activity Monitor) یا به اختصار “CaBLAM” شناخته می‌شود، قادر است فعالیت را در سطح سلول‌های منفرد و حتی ساختارهای سلولی کوچک‌تر ثبت کند. این ابزار در موش‌ها و گورماهی‌ها عملکرد خوبی دارد، از ثبت‌هایی پشتیبانی می‌کند که چندین ساعت طول می‌کشند و نیاز به نور خارجی را از بین می‌برد.

مور گفت که شانر، دانشیار علوم اعصاب و داروشناسی در دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، توسعه دستگاه مولکولی که CaBLAM را ممکن ساخت، رهبری کرد. او گفت:

CaBLAM یک مولکول واقعاً شگفت‌انگیز است که ناتان خلق کرده است. عملکرد آن کاملاً مطابق نامش است.

چرا ردیابی فعالیت سلول‌های مغزی مهم است؟

مور توضیح داد که درک چگونگی رفتار سلول‌های مغزی زنده در طول زمان برای مطالعه نحوه عملکرد سیستم‌های بیولوژیکی ضروری است. امروزه، بیشتر محققان به روش‌های تصویربرداری متکی هستند که از نشانگرهای یون کلسیم مبتنی بر فلورسانس و رمزگذاری شده ژنتیکی استفاده می‌کنند.

او که مرکز زیست‌تابی را رهبری می‌کند، گفت:

در نحوه عملکرد فلورسانس، شما پرتوهای نور را به چیزی می‌تابانید، و طول موج متفاوتی از پرتوهای نور را باز می‌گردانید. می‌توانید این فرآیند را نسبت به کلسیم حساس کنید تا پروتئین‌هایی به دست آورید که بسته به وجود کلسیم، مقدار یا رنگ متفاوتی از نور را با یک سیگنال روشن بازتاب می‌دهند.

معایب تصویربرداری فلورسانس مغز

مور گفت اگرچه پروب‌های فلورسانس به طور گسترده‌ای استفاده می‌شوند، اما هنگامی‌که در تحقیقات مغز به کار می‌روند، دارای محدودیت‌های جدی هستند. قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض نور خارجی شدید می‌تواند به سلول‌ها آسیب برساند. نوردهی پرقدرت همچنین می‌تواند مولکول‌های فلورسنت را تغییر دهد به‌طوری که از انتشار نور کافی باز بمانند، فرآیندی که به عنوان محو شدگی نوری (Photobleaching) شناخته می‌شود و طول مدت آزمایش‌ها را محدود می‌کند. علاوه بر این، انتقال نور به مغز معمولاً به تجهیزات تهاجمی مانند لیزر و فیبر نوری نیاز دارد.

چرا زیست‌تابی بهتر عمل می‌کند؟

تصویربرداری زیست‌تابی از بسیاری از این مشکلات جلوگیری می‌کند. در این رویکرد، نور به صورت داخلی تولید می‌شود، زمانی‌که یک آنزیم یک مولکول کوچک خاص را تجزیه می‌کند. از آنجایی‌که به نور خارجی روشن نیازی نیست، محو شدگی نوری و اثر فتوتوکسیک (سمی نور) وجود ندارد، که این روش را برای بافت مغز ایمن‌تر می‌سازد.

همچنین دید را بهبود می‌بخشد!

شانر گفت:

بافت مغز وقتی مورد تابش نور خارجی قرار می‌گیرد، به‌طور طبیعی اندکی می‌درخشد و نویز پس‌زمینه ایجاد می‌کند. علاوه بر این، بافت مغز نور را پراکنده کرده و نور ورودی و سیگنال برگشتی را تار می‌کند. این باعث می‌شود تصاویر کم‌نورتر، تارتر، و دیدن عمق مغز سخت‌تر شود. مغز به‌طور طبیعی زیست‌تابی تولید نمی‌کند، بنابراین وقتی نورون‌های مهندسی‌شده خودشان می‌درخشند، در برابر یک پس‌زمینه تاریک و تقریباً بدون تداخل خودنمایی می‌کنند. و با زیست‌تابی، سلول‌های مغز مانند چراغ‌های جلوی خودشان عمل می‌کنند: فقط باید نور خروجی را تماشا کنید، که دیدن آن حتی هنگام پراکندگی در بافت بسیار آسان‌تر است.

مور اشاره کرد که اگرچه محققان برای دهه‌ها درباره استفاده از زیست‌تابی برای مطالعه فعالیت مغز بحث کرده‌اند، تلاش‌های قبلی نتوانستند نوری به اندازه کافی روشن برای تصویربرداری دقیق تولید کنند. اکنون این محدودیت برطرف شده است.

دستاورد پشت CaBLAM

مور گفت:

مقاله فعلی به دلایل زیادی هیجان‌انگیز است. این مولکول‌های جدید برای اولین بار، توانایی دیدن فعال شدن مستقل تک‌سلول‌ها را فراهم کرده‌اند، تقریباً انگار از یک دوربین فیلمبرداری بسیار خاص و حساس برای ضبط فعالیت مغز در حال وقوع استفاده می‌کنید.

با استفاده از CaBLAM، دانشمندان می‌توانند رفتار نورون‌های منفرد را در داخل حیوانات آزمایشگاهی زنده، از جمله فعالیت در بخش‌های مختلف یک سلول واحد، نظارت کنند. در این مطالعه، تیم نتایج یک جلسه ضبط را ارائه کردند که به طور پیوسته برای پنج ساعت اجرا شد، چیزی که با تکنیک‌های سنتی مبتنی بر فلورسانس امکان‌پذیر نخواهد بود.

او افزود:

برای مطالعه رفتار یا یادگیری پیچیده، زیست‌تابی به فرد اجازه می‌دهد تا کل فرآیند را با سخت‌افزار کمتری ثبت کند.

گسترش امکانات تحقیقات مغز

پروژه CaBLAM بخشی از تلاش بزرگتر در مرکز زیست‌تابی برای توسعه روش‌های جدید برای مشاهده و تأثیرگذاری بر فعالیت مغز است. یک پروژه در حال انجام از یک سلول زنده برای انتشار یک فلاش نوری استفاده می‌کند که می‌تواند توسط یک سلول مجاور تشخیص داده شود و به نورون‌ها اجازه می‌دهد با استفاده از خود نور با هم ارتباط برقرار کنند (آنچه مور آن را «سیم‌کشی مجدد مغز با نور» می‌نامد). این تیم همچنین در حال کار بر روی روش‌هایی هستند که از کلسیم برای کنترل رفتار سلولی استفاده می‌کنند.

همزمان که این پروژه‌ها پیشرفت کردند، محققان متوجه شدند که حسگرهای کلسیم روشن‌تر و مؤثرتر برای همه آن‌ها ضروری هستند. مور گفت که بهبود این حسگرها از آن زمان به یک تمرکز اصلی تبدیل شده است.

مور گفت:

ما اطمینان حاصل کردیم که به عنوان مرکزی که تلاش می‌کند این زمینه را به جلو سوق دهد، اجزای ضروری را ایجاد کرده‌ایم.

فراتر از مغز

مور معتقد است که CaBLAM در نهایت می‌تواند برای مطالعه فعالیت در سایر بخش‌های بدن، نه فقط مغز، استفاده شود.

او گفت:

این پیشرفت طیف کاملاً جدیدی از گزینه‌ها را برای دیدن نحوه عملکرد مغز و بدن فراهم می‌کند، از جمله ردیابی فعالیت در چندین بخش از بدن به طور همزمان.

مور افزود که این پروژه بر قدرت علم مشارکتی تأکید می‌کند. حداقل ۳۴ محقق در این کار مشارکت داشته‌اند که نمایندگی شرکای مرکز زیست‌تابی مانند دانشگاه براون، دانشگاه میشیگان مرکزی، دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس و دانشگاه نیویورک را بر عهده داشتند.

منبع: Scitechdaily