To-foton mikroskop gør det muligt for forskere at overvåge hjerneaktivitet i realtid

Overvågning af hjerneaktivitet har været en central komponent i neurovidenskaben, siden evnen først opstod. Den menneskelige hjerne er mindre forstået end universet og oceanerne. Som sådan er der en massiv indsats for at afdække de mysterier, der ligger i din hjerne. Nu kan forskere dykke dybere ned i mental aktivitet i realtid ved hjælp af en revolutionerende to-foton fluorescensmikroskopimetode. Her er, hvad du behøver at vide.

At forstå hjerneaktivitet er afgørende for mange industrier, herunder behandling af neurologiske sygdomme som Alzheimers. Videnskabsfolk har brugt betydelig indsats på at afdække, hvordan neuroner kommunikerer og interagerer under tankeprocesser. Målet med denne forskning er fuldt ud at forstå komplekse neurale interaktioner ned til cellulær opløsning.

Forskere håber at bruge disse data til at kaste lys over grundlæggende hjernefunktioner, som en dag kan føre til forbedret læring, hukommelse, beslutningstagning og sundhedspleje. For at gennemføre denne opgave har de skabt et avanceret to-foton billedværktøj, der kan spore dynamiske neurale processer i realtid, hvilket muliggør en dybere indsigt i hjernen under læring, aktiviteter og sygdomstilstande.

Nuværende metoder til registrering af hjerneaktivitet

Der findes flere metoder til at registrere hjerneaktivitet i brug i dag. Disse tilgange har hjulpet industrien med at udvikle sig indtil nu. De har dog betydelige ulemper, herunder at de tager længere tid at overvåge aktivitet, kan være skadelige for patienten og er omkostningstunge. De to mest almindelige metoder i brug i dag omfatter funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) og elektroencefalografi (EEG).

Funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI)

Funktionel magnetisk resonansbilleddannelse er en af de mest avancerede metoder til at overvåge hjernebølger i dag. Denne ikke-invasive procedure integrerer magnetfelter og radiobølger for at skabe et 3D-billede af din hjernes elektromagnetiske pulser. Denne strategi markerede en betydelig forbedring i forhold til tidligere muligheder, da den tillod forskere at zoome ind på et bestemt sæt neuroner, hvilket i høj grad forbedrede deres samlede forståelse af hjerneaktivitet.

Elektroencefalografi (EEG)

En anden metode, du måske har set i film, er elektroencefalografi. Denne tilgang måler din hjernes elektriske aktivitet. Patienterne skal placere specielle sensorer på deres hovedbund, som er følsomme over for elektriske strømme. Denne metode til sporing af hjernebølger har været brugt siden 1975, da Richard Caton første gang anvendte den til at spore de elektriske pulser i kaniners og aberes hjerner med succes.

Siden da har denne metode til registrering af hjerneaktivitet forbedret sig betydeligt. I 1950’erne blev den første moderne version af EEG introduceret. Den tjente trofast som den primære metode til at spore hjernebølger ind i 1980’erne. I 1988 blev den brugt til at gøre det muligt for en person at styre en robot, og den anvendes stadig af mange forskere.

Studie

Studiet “Højhastigheds to-foton mikroskopi med adaptiv linje-eksitation” blev offentliggjort i Optica og afslører, hvordan to-foton mikroskopi kan levere uovertruffen højhastighedsbilleder af neural aktivitet. Disse billeder blev lavet med cellulær opløsning ved hjælp af et specialbygget to-foton fluorescensmikroskop.

To-foton fluorescensmikroskop

To-foton fluorescensmikroskopet er i stand til at levere levende billeder dybt inde i hjernevævet. For at udføre denne opgave introducerer mekanismen en adaptiv prøvetagningsstruktur. Denne struktur gentages gennem hele eksperimentet for at skabe dynamiske 3D-billeder og kort over hjerneaktivitet.

Adaptiv prøvetagningsstrategi

Kernen i studiet er introduktionen af den adaptive prøvetagningsstrategi. Denne metode erstatter traditionelle punktbelysningsteknikker. I stedet anvendes en mere effektiv linjebelysningsstrategi sammen med en opdateret punkt-scanningsmetode, som giver langt mere detaljer og overvågningsmuligheder sammenlignet med tidligere metoder.

Punkt-scanning

Punkt-scanning i gamle metoder efterlod meget at ønske. For det første var den ekstremt specifik, hvilket ofte førte til manglende evne til at spore en hel neuronsekvens gennem hjernen. Den nye punkt-scanningsmetode bruger en ændret linjebelysningsstrategi til at efterligne højopløsnings punkt-scanningsmetoder. Denne strategi er afgørende for at identificere, hvilke områder af hjernen der skal gå videre til næste trin i processen, linje-scanning.

Linje-belysning

Linje-belysning er et gennembrud for neuroingeniører. Metoden projicerer en lille lyslinje over et prøvetaget område. Denne tilgang exciterer fluorescens, hvilket gør det lettere at spore neurologiske signaler gennem hjernen fra start til slut. Derudover tillader denne tilgang, at et meget større område af hjernen kan exciteres, scannes og kortlægges i realtid.

Test af to-foton mikroskop

Testfasen af to-foton fluorescensmikroskopet involverede to laboratoriemus, hvor forskerne kunne spore neuronal aktivitet i en musecortex i realtid. Bemærkelsesværdigt kan enheden aktuelt indfange billedsignaler op til 198 Hz. I denne test sporede ingeniørerne calcium-signaler, som kan indikere nylig neural aktivitet.

Digital mikrospejl-enhed (DMD)

For at udføre denne opgave dannes et specielt konfigureret laserstrålemønster ved hjælp af en digital mikrospejl-enhed (DMD). Denne enhed indeholder tusindvis af mikroskopiske spejle. Hvert af disse spejle har individuelle kontroller, der gør dem i stand til at forme og målrette lys på præcise dele af hjernen. Derudover kan spejlene indstilles til at aktivere og deaktivere baseret på neural aktivitet, hvilket muliggør bedre billeddannelse i alle hjernetilstande.

kilde – Molly M Bechtel, University of California, Davis

Resultater fra test af to-foton fluorescensmikroskop

Testresultaterne har givet nogle uventede data, som har potentiale til at forbedre de nuværende metoder og ryste industrien. For det første afslørede studiet, hvordan to-foton fluorescensmikroskopet tilbyder uovertruffen indsigt i hjernens indre funktioner. Evnen til at skabe højhastighedsbilleder ved brug af kortlinje-eksitation og den adaptive prøvetagningsordning åbner døren for mange potentielle fremtidige anvendelser.

Forskerne fandt, at den nye metode gjorde det muligt for dem at overvåge individuelle neuroner på et niveau, der aldrig før har været muligt. Disse nye data vil blive brugt til at skabe avancerede beregningsalgoritmer, som en dag vil hjælpe neurologer med at isolere og bedre forstå brugen af individuelle neuroner.

Fordele

Dette studie bringer en lang række fordele til markedet. For det første gør denne type hjernebilleddannelse det muligt for forskere at forstå den funktionelle arkitektur i hjernen på måder, der tidligere var utænkelige. De kan nu se, hvordan bestemte hjerneceller interagerer og kommunikerer under specifikke processer.

Behandling af neurologiske sygdomme

Denne forståelse kan vise sig at være afgørende i kampen mod stigningen af neurologiske sygdomme som Alzheimers og Parkinsons. Begge disse lidelser tager livet af hundredtusinder af mennesker hvert år. I USA dør omkring +120.000 mennesker kun af Alzheimers. Desværre forventes dette tal at stige til 13,8 millioner globalt inden 2060.

At forstå, hvordan hjernen fungerer i disse tilstande versus når den er sund, kan give ingeniører mulighed for at bygge bro over dette hul og bringe hjernen tilbage til sin oprindelige funktion. Indtil videre har dataene enorm værdi i at låse op for de mange hemmeligheder, der er nødvendige for at gøre denne type behandling til en realitet.

Læring

En anden væsentlig grund til, at overvågning af hjerneaktivitet er afgørende for en nations fremtid, er, at den kan bruges til at forbedre læring. At forstå, hvad der får en hukommelse til at hænge ved, eller hvordan man hurtigere kan genkalde informationer, er blot nogle få interesseområder, som denne type hjerneovervågning kan forbedre. I fremtiden kunne skolepensum baseres på neural fastholdelse i stedet for dagens mange standarder.

Billeder hurtigere

Brug af de gamle metoder til at måle neurologisk aktivitet var effektivt, men tidskrævende. De leverede heller ikke billeder hurtigt nok til at give forskerne de nødvendige detaljer for en kompleks forståelse af mentale handlinger. Denne nye metode er 10 gange hurtigere end traditionel to-foton mikroskopi, hvilket gør det muligt for forskere at overvåge og spore mentale fænomener, som ældre systemer ikke kunne registrere.

Mindre skade

Den hurtigere ydeevne betyder mindre eksponering for patienterne. Derudover kræver systemet mindre kraftfulde lasere. Ved at reducere laserens styrke og forkorte eksponeringen får patienterne langt mindre energiradiation aflejret i deres hjernevæv. Det nye system belyser kun de relevante neuroner, hvilket sænker risikoen for skade på følsomt væv.

Mindre omkostninger

Omkostningsreduktion er en anden fordel ved den nye tilgang. Ifølge studiet kræver to-foton fluorescensmikroskopet 10 gange mindre laserstyrke sammenlignet med traditionelle to-foton metoder. Denne reduktion i styrke betyder mere bæredygtighed og mindre miljøpåvirkning.

Udvidelig

En af de største fordele ved den nye teknik er, at den kan kombineres med andre effektive metoder problemfrit. Allerede har forskerne udtalt planer om at koble enheden med andre procedurer som stråle-multiplexing og fjernfokusering. Disse teknikker øger billedhastigheden og muliggør oprettelsen af volumetriske 3D-billeder i realtid.

Forskere

Dette studie blev udført ved University of California, Davis, med Yunyang Li som hovedforfatter. Forskningsholdet omfattede Ben Mattison, Junjie Hu, Kwun Nok Mimi Man, Shu Guo og Weijian Yang. Finansiering til projektet kom fra forskellige kilder, herunder Burroughs Wellcome Fund, National Science Foundation, National Institute of Neurological Disorders and Stroke og National Eye Institute.

To virksomheder, der kan drage fordel af denne forskning

1. BrainChip Holdings Ltd

ASX Prisdiagram

BrainChip Holdings Ltd (BRN.AX ) er en populær hjerne-netværk software simulator. Virksomheden gik ind på markedet i 2004 og har base i Australien. Dens grundlægger, Peter Van Der Made, har været afgørende for at holde firmaets banebrydende indsats fokuseret på integration af avanceret kunstig intelligens (AI) og maskinlæring (ML) for at forbedre deres resultater.

I dag tilbyder firmaet en række produkter, herunder en IoT-infrastruktur modelleret efter hjernens neurale netværk. Et andet populært produkt, som har hjulpet BrainChip med at opnå anerkendelse, er Akita Development Environment, som gør det muligt for udviklere at skabe, træne og teste eksperimentelle neurale netværk.

BrainChip Holdings har oplevet nogle ulemper siden 2023. Dog har virksomhedens seneste software og indtræden i AI- og ML-sektorerne genoplivet investorinteressen. Derfor betragtes BrainChip Holdings Ltd som havende stort vækstpotentiale.

2. Biogen

BIIB Prisdiagram

Biogen er en farmaceutisk forskningsvirksomhed, der for nylig har gjort sig bemærket på markedet. Den Massachusetts-baserede producent specialiserer sig i behandling og pleje af neurologiske sygdomme. I øjeblikket har den produkter, der hjælper med at behandle neurologiske, neurodegenerative og autoimmune sygdomme.

Biogen har modtaget kritik for at fremskynde nogle af sine behandlinger, men det har ikke bremset virksomhedens opstigning til fremtrædende position på markedet. Deres seneste udgivelse, Leqembi, blev godkendt af FDA via fast-track og er designet til at behandle Alzheimers sygdom. Virksomheden har set brugen af deres seneste lægemiddel næsten tredoble sig i løbet af det sidste år, hvilket har hjulpet firmaet med at sikre en stærkere markedsposition. Derfor gør Biogens tidlige eksponering for Alzheimers-behandlingsmarkedet og deres kombination af tilbud dem til et potentielt stærkt køb for handlende.

To-foton mikroskop giver et glimt af fremtiden

To-foton fluorescensmikroskopet bringer menneskeheden et skridt tættere på at kunne interagere med sine omgivelser udelukkende ved tanke. Dette innovative forskningsteam har skubbet grænserne for neurologisk forskning og har opnået hidtil uset indsigt i menneskelig hjerneaktivitet. Denne forskning vil helt sikkert generere yderligere studier, som en dag kan føre til færre neurologiske sygdomme og mange andre fremskridt.

Lær om andre seje sundheds projekter nu.