Caltech, Beyin Devrelerini Gerçek Zamanlı Olarak Haritalandırmanın Bir Yolunu Geliştirdi

7
Entegre nörofotonik adı verilen yeni bir yaklaşım, araştırmacıların belirli bir beyin devresini oluşturan tüm nöronların aktivitesini izlemelerine olanak sağlayabilir. Kredi: Roukes et. al.

Entegre nörofotonik adı verilen yeni bir yaklaşım, araştırmacıların belirli bir beyin devresini oluşturan tüm nöronların aktivitesini izlemelerine olanak sağlayabilir.

Sinirbilimciler, beyin hakkındaki anlayışlarını derinleştirmek için, duyusal bilgileri işleme veya yeni anılar çok detaylı bir şekilde oluşturma gibi görevlerden sorumlu sinir devrelerini haritalayabilmelidir.

Şimdi, Caltech araştırmacılarından oluşan bir ekip, belirli bir beyin devresindeki binlerce ila milyonlarca nöronun aktivitesinin gerçek zamanlı izlenmesine izin verebilecek yeni bir yaklaşım belirledi. Yazarlar, 14 Ekim 2020’de Neuron dergisinde yayınlanan bir “Perspective” makalesinde tartışılan yeni yöntemin mevcut yaklaşımlardan çok daha büyük bir potansiyele sahip olduğunu söylüyorlar.

“Entegre nörofotonik” adı verilen yeni teknik, sırasıyla nöronları optik olarak izlemek ve aktivitelerini kontrol etmek için floresan moleküler haberciler ve optogenetik aktüatörlerle birlikte beynin herhangi bir derinliğine yerleştirilebilen küçük optik mikroçip dizilerini kullanır.

Diziler, etraflarındaki genetik olarak tasarlanmış nöronları uyarmak için mikro ölçekli ışık demetleri yayar ve ayrıca bu hücrelerin aktivitesini kaydederek işlevlerini ortaya çıkarır. Çalışma şu anda sadece hayvan modellerinde yapılsa da, makalenin baş araştırmacısı ve Caltech’in Fizik, Uygulamalı Fizik ve Biyomühendislik Profesörü Michael Roukes, bir gün bunun insan beyninin derinliklerindeki devreleri çözmeye yardımcı olabileceğini söylüyor.

Roukes, “Derinlemesine kayıt – anahtar budur” diyor. Yakın zamanda beynin tüm aktivitesini kaydedemeyeceğiz. Ancak belirli beyin bölgelerindeki bazı önemli hesaplama yapılarına odaklanabilir miyiz? Bu bizim motivasyonumuz. “

Son yıllarda, sinirbilimciler, kemirgenler de dahil olmak üzere model hayvanlarda daha büyük nöron gruplarını incelemek için optogenetik kullanmaya başladılar. Optogenetikte, nöronlar, belirli bir ışık dalga boyuyla uyarıldığında yeşil floresan protein (GFP) gibi belirli bir protein belirtecini ifade edecek şekilde genetik olarak tasarlanmıştır.

GFP’nin varlığı, hücrenin floresan ışığı altında yeşil parlamasına neden olarak sinirsel aktivitenin görsel bir göstergesi olur. Sensör moleküllerini bu belirteçlerle birleştirerek araştırmacılar, bu floresanı modüle ederek yerel aktivitelerini işaret eden nöronlar tasarlayabilirler.

Optogenetik, beyindeki tüm elektriksel aktivite nedeniyle ortalama olarak yalnızca tek bir nöronu güvenilir bir şekilde ölçebilen nöronların elektriksel aktivitesini ölçmek için implante edilmiş elektrotlara dayanan sinirbilim araştırmalarının doğasında bulunan bazı problemleri çözer. Beyin iletişim kurmak için ışığı kullanmadığından, optogenetik bu nöronal sinyallerin büyük sayılarının izlenmesini kolaylaştırır.

Caltech, Beyin Devrelerini Gerçek Zamanlı Olarak Haritalandırmanın Bir Yolunu Geliştirdi 1
Nöron Aktivite

Ancak Caltech’in kıdemli araştırma bilimcisi ve makalenin baş yazarı Laurent Moreaux, beynin mevcut optogenetik çalışmalarının önemli bir fiziksel sınırlama ile sınırlı olduğunu söylüyor.

Beyin dokusu ışığı saçar, bu da beynin dışından gelen ışığın beynin içinde yalnızca kısa mesafelere gidebileceği anlamına gelir. Bu nedenle, beyin yüzeyinden yalnızca yaklaşık iki milimetreden daha az olan alanlar optik olarak incelenebilir. Bu nedenle, en çok incelenen beyin devreleri, genellikle, bir faredeki duyu korteksi gibi – yüzeye yakın konumlandırılmış – duyusal bilgileri ileten basit devrelerdir.

Kısacası, optogenetik yöntemler şu anda, üst düzey bilişsel veya öğrenme süreçlerinde yer alanlar da dahil olmak üzere, beyindeki daha derin devreler hakkında kolayca fikir veremiyor.

Roukes ve meslektaşları, entegre nörofotoniklerin sorunu çözdüğünü söylüyorlar. Teknikte, eksiksiz bir görüntüleme sisteminin mikro ölçekli bileşenleri, beynin derinliklerinde, hipokampus (hafıza oluşumunda rol oynayan), striatum (bilişi kontrol eden) ve diğer temel yapılar gibi bölgelerde karmaşık sinir devrelerinin yakınına implante edilir.

Şu anda tüm beyinleri görüntülemek için kullanılan benzer bir tarama tekniği olan işlevsel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) teknolojisini düşünün. Bir fMRI taramasındaki her bir voksel veya üç boyutlu piksel tipik olarak hacim olarak yaklaşık bir milimetredir ve kabaca 100.000 nöron içerir. Yani her voksel, bu 100.000 hücrenin tamamının ortalama aktivitesini temsil eder.

Roukes, “Entegre nörofotoniğin genel amacı, 100.000 kişilik koleksiyondaki her bir nöronun gerçek zamanlı olarak ne yaptığını kaydetmektir” diyor.

Roukes’un uzun vadeli hedefi, gelişmiş sinirbilim araştırmalarına liderlik etmek için bu yeni teknolojiyle çok kurumlu işbirliklerini mümkün kılmak için entegre nörofotoniklerin gelişmiş enstrümantasyonunu yaymaktır. Daha önce, bu tür nöroteknoloji geliştirmenin çoğunlukla tek bir laboratuvar veya araştırmacı tarafından yürütülen araştırmaya dayandığını söylüyor.

Roukes, 2011’den beri, Obama yönetimi altında başlatılan ABD BEYİN Girişimi (Yenilikçi Nöroteknolojiler Geliştirerek Beyin Araştırması) haline gelen şeyi hızlı bir şekilde başlatmak için beş bilim insanı ve Beyaz Saray Bilim ve Teknoloji Politikası Ofisi ile birlikte çalıştı.

Vizyonları, yerçekimsel dalgaları bulmak için uluslararası teleskop işbirlikleri ve LIGO-Başak işbirliği gibi donanım geliştirme projelerinde örneklendiği gibi, fiziksel bilimlerde görülen türden büyük ölçekli ortaklıkları nörobilim araştırmalarına getirmekti. Roukes, entegre nörofotoniklerin bu tür araç geliştirme ekip çalışmasının kapısını açtığını söylüyor.

Caltech, Beyin Devrelerini Gerçek Zamanlı Olarak Haritalandırmanın Bir Yolunu Geliştirdi 2
Norofotonik Devreler

“Bizimki gibi bir yaklaşımın yapı taşlarının çoğu on yıl veya daha uzun süredir var” diyor. Ancak yakın zamana kadar, nörobilim için bu güçlü yeni araçları gerçekleştirmek üzere hepsini bir araya getirecek bir vizyon, irade ve finansman yoktu. “

Bu araştırmayı anlatan makale “Entegre Nörofotonik: Beyin Devresi Aktivitesinin Yoğun Hacimsel Sorgulamasına Doğru – Derinlemesine ve Gerçek Zamanlı” başlığını taşımaktadır.

Caltech’in diğer ortak yazarları arasında eski bir Kavli Nanobilim Enstitüsü ödüllü Doktora Sonrası Araştırmacı olan Wesley D. Sacher ve eski Caltech doktora sonrası araştırmacı Nicole J. Kubat yer alıyor. 14 ek kurumun işbirlikçilerini içeren çalışma, Ulusal Sağlık Enstitüleri BEYİN Girişimi hibesi, Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı, Ulusal Bilim Vakfı ve Kavli Vakfı tarafından finanse edildi.

Referans: Laurent C. Moreaux, Dimitri Yatsenko, Wesley D. Sacher, Jaebin Choi, Changhyuk Lee, Nicole J. Kubat, R. James “Integrated Neurophotonics: Towards Intense Volumetric Interrogation of Brain Circuit Activity – In Deepth and Real Time” Cotton , Edward S. Boyden, Michael Z. Lin, Lin Tian, ​​Andreas S. Tolias, Joyce KS Poon, Kenneth L. Shepard ve Michael L. Roukes, 14 Ekim 2020, Neuron.


YORUM YAP

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz