Διφωτονική Μικροσκόπηση Δύο Φωτονίων Επιτρέπει στους Ερευνητές να Παρακολουθούν τη Δραστηριότητα του Εγκεφάλου σε Πραγματικό Χρόνο

Η παρακολούθηση της δραστηριότητας του εγκεφάλου αποτελεί βασικό στοιχείο της νευροεπιστήμης από τότε που εμφανίστηκε η δυνατότητα. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι λιγότερο κατανοητός από το σύμπαν και τους ωκεανούς. Ως εκ τούτου, υπάρχει μια τεράστια προσπάθεια να αποκαλυφθούν τα μυστήρια που κρύβει το μυαλό σας. Τώρα, οι ερευνητές μπορούν να εμβαθύνουν περισσότερο στη νοητική δραστηριότητα σε πραγματικό χρόνο χρησιμοποιώντας μια επαναστατική μέθοδο διφωτονικής φθορισμού μικροσκόπης. Αυτό είναι ό,τι πρέπει να γνωρίζετε.

Η κατανόηση της δραστηριότητας του εγκεφάλου είναι κρίσιμη για πολλές βιομηχανίες, συμπεριλαμβανομένης της θεραπείας νευρολογικών ασθενειών όπως η νόσος του Αλτσχάιμερ. Οι επιστήμονες έχουν αφιερώσει σημαντική προσπάθεια στην αποκάλυψη του πώς οι νευρώνες επικοινωνούν και αλληλεπιδρούν κατά τη σκέψη. Ο στόχος αυτής της έρευνας είναι να κατανοηθεί πλήρως η πολύπλοκη νευρωνική αλληλεπίδραση μέχρι την κυτταρική ανάλυση.

Οι ερευνητές ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν αυτά τα δεδομένα για να ρίξουν φως στις βασικές λειτουργίες του εγκεφάλου, που θα μπορούσαν κάποια μέρα να οδηγήσουν σε βελτιωμένη μάθηση, μνήμη, λήψη αποφάσεων και υγειονομική περίθαλψη. Για να επιτύχουν αυτό το έργο δημιούργησαν ένα προηγμένο εργαλείο διφωτονικής απεικόνισης ικανό να παρακολουθεί δυναμικές νευρωνικές διεργασίες σε πραγματικό χρόνο, παρέχοντας βαθύτερη κατανόηση του εγκεφάλου κατά τη μάθηση, τις δραστηριότητες και τις καταστάσεις ασθένειας.

Τρέχουσες Μέθοδοι Καταγραφής Δραστηριότητας Εγκεφάλου

Υπάρχουν αρκετές μέθοδοι καταγραφής της δραστηριότητας του εγκεφάλου που χρησιμοποιούνται σήμερα. Αυτές οι προσεγγίσεις έχουν βοηθήσει τη βιομηχανία να εξελιχθεί μέχρι σήμερα. Ωστόσο, έχουν σημαντικά μειονεκτήματα, όπως το ότι απαιτούν περισσότερο χρόνο για την παρακολούθηση της δραστηριότητας, μπορούν να είναι επιβλαβείς για τον ασθενή και είναι οικονομικά δυσπρόσιτες. Οι δύο πιο κοινές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται σήμερα περιλαμβάνουν τη Λειτουργική Μαγνητική Τομογραφία (fMRI) και την Ηλεκτροεγκεφαλογραφία (EEG).

Λειτουργική Μαγνητική Τομογραφία (fMRI)

Η Λειτουργική Μαγνητική Τομογραφία είναι μία από τις πιο προηγμένες μεθόδους που χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση των εγκεφαλικών κυμάτων σήμερα. Αυτή η μη επεμβατική διαδικασία ενσωματώνει μαγνητικά πεδία και ραδιοκύματα για τη δημιουργία τρισδιάστατης εικόνας των ηλεκτρομαγνητικών παλμών του εγκεφάλου σας. Αυτή η στρατηγική σηματοδότησε μια σημαντική βελτίωση σε σχέση με τις προηγούμενες επιλογές, καθώς επέτρεψε στους ερευνητές να εστιάσουν σε ένα συγκεκριμένο σύνολο νευρώνων, βελτιώνοντας σημαντικά τη συνολική τους κατανόηση της δραστηριότητας του εγκεφάλου.

Ηλεκτροεγκεφαλογραφία (EEG)

Μια άλλη μέθοδος που ίσως έχετε δει σε ταινίες είναι η Ηλεκτροεγκεφαλογραφία. Αυτή η προσέγγιση μετρά τη ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου σας. Οι ασθενείς πρέπει να τοποθετήσουν ειδικούς αισθητήρες στο τριχωτό της κεφαλής που είναι ευαίσθητοι στα ηλεκτρικά ρεύματα. Αυτή η μέθοδος παρακολούθησης των εγκεφαλικών κυμάτων χρησιμοποιείται από το 1975, όταν ο Ρίτσαρντ Κάτον την χρησιμοποίησε για πρώτη φορά για την παρακολούθηση των ηλεκτρικών παλμών που βρέθηκαν σε εγκεφάλους κουνελιών και πιθήκων με επιτυχία.

Από τότε, αυτή η μέθοδος καταγραφής της δραστηριότητας του εγκεφάλου έχει βελτιωθεί σημαντικά. Στη δεκαετία του 1950, εισήχθη η πρώτη σύγχρονη εκδοχή της EEG. Λειτουργούσε πιστά ως η κύρια μέθοδος παρακολούθησης των εγκεφαλικών κυμάτων μέχρι τη δεκαετία του 1980. Το 1988, χρησιμοποιήθηκε για να επιτρέψει σε ένα άτομο να ελέγξει ένα ρομπότ και εξακολουθεί να χρησιμοποιείται από πολλούς ερευνητές.

Μελέτη

Η μελέτη «High-speed two-photon microscopy with adaptive line-excitation» δημοσιεύτηκε στο Optica, αποκαλύπτοντας πώς η διφωτονική μικροσκοπία μπορεί να προσφέρει ασύγκριτες εικόνες υψηλής ταχύτητας της νευρωνικής δραστηριότητας. Αυτές οι φωτογραφίες λήφθηκαν με κυτταρική ανάλυση χρησιμοποιώντας μια ειδικά κατασκευασμένη διφωτονική φθορισμού μικροσκόπηση.

Διφωτονική Μικροσκόπηση Δύο Φωτονίων

Η διφωτονική φθορισμού μικροσκόπηση είναι ικανή να παρέχει ζωντανές εικόνες σε βάθος του εγκεφαλικού ιστού. Για να επιτευχθεί αυτό, ο μηχανισμός εισάγει μια δομή προσαρμοστικής δειγματοληψίας. Αυτή η δομή επαναλαμβάνεται καθ’ όλη τη διάρκεια του πειράματος για τη δημιουργία δυναμικών τρισδιάστατων εικόνων και χαρτών της εγκεφαλικής δραστηριότητας.

Στρατηγική Προσαρμοστικής Δειγματοληψίας

Στον πυρήνα της μελέτης βρίσκεται η εισαγωγή της στρατηγικής προσαρμοστικής δειγματοληψίας. Αυτή η μέθοδος αντικαθιστά τις παραδοσιακές τεχνικές φωτισμού σημείου. Αντίθετα, εφαρμόζεται μια πιο αποτελεσματική στρατηγική φωτισμού γραμμής μαζί με μια ενημερωμένη μέθοδο σάρωσης σημείου που παρέχει πολύ περισσότερες λεπτομέρειες και δυνατότητες παρακολούθησης σε σύγκριση με τις προηγούμενες μεθόδους.

Σάρωση Σημείου

Η σάρωση σημείου στις παλιές μεθόδους άφηνε πολλά να επιθυμηθούν. Κατ’ αρχάς, ήταν εξαιρετικά συγκεκριμένη, κάτι που συχνά οδηγούσε στην αδυναμία παρακολούθησης μιας ολόκληρης ακολουθίας νευρώνων σε όλο τον εγκέφαλο. Η νέα μέθοδος σάρωσης σημείου χρησιμοποιεί μια τροποποιημένη στρατηγική φωτισμού γραμμής για να μιμηθεί τις μεθόδους σάρωσης σημείου υψηλής ανάλυσης. Αυτή η στρατηγική είναι κρίσιμη για την ταυτοποίηση των περιοχών του εγκεφάλου που πρέπει να προχωρήσουν στο επόμενο βήμα της διαδικασίας, τη σάρωση γραμμής.

Φωτισμός Γραμμής

Ο φωτισμός γραμμής αποτελεί μια επανάσταση για τους μηχανικούς νευρολογίας. Η μέθοδος προβάλλει μια μικρή γραμμή φωτός σε μια δειγματοληπτική περιοχή. Αυτή η προσέγγιση διεγείρει τη φθορισμό, καθιστώντας ευκολότερη την παρακολούθηση των νευρολογικών σημάτων σε όλο τον εγκέφαλο από την αρχή μέχρι το τέλος. Επιπλέον, αυτή η προσέγγιση επιτρέπει την διεγείρωση, σάρωση και χαρτογράφηση σε πραγματικό χρόνο ενός πολύ μεγαλύτερου τμήματος του εγκεφάλου.

Δοκιμή Διφωτονικής Μικροσκόπης Δύο Φωτονίων

Η φάση δοκιμής της διφωτονικής φθορισμού μικροσκόπης περιελάμβανε δύο εργαστηριακά ποντίκια, στα οποία οι ερευνητές μπόρεσαν να παρακολουθήσουν τη νευρωνική δραστηριότητα στον φλοιό ενός ποντικού σε πραγματικό χρόνο. Σημαντικό είναι ότι η μονάδα μπορεί να καταγράψει σήματα εικόνας έως 198 Hz αυτή τη στιγμή. Σε αυτή τη δοκιμή, οι μηχανικοί παρακολούθησαν σήματα ασβεστίου που μπορούν να υποδείξουν πρόσφατη νευρωνική δραστηριότητα.

Ψηφιακή Συσκευή Μικροκαθρεπτών (DMD)

Για την επίτευξη αυτού του στόχου, δημιουργείται ένα ειδικά διαμορφωμένο μοτίβο λέιζερ χρησιμοποιώντας μια ψηφιακή συσκευή μικροκαθρεπτών (DMD). Αυτή η μονάδα περιέχει χιλιάδες μικροσκοπικούς καθρέφτες. Κάθε ένας από αυτούς τους καθρέφτες διαθέτει ατομικούς ελέγχους που τους επιτρέπουν να διαμορφώνουν και να στοχεύουν το φως σε ακριβή μέρη του εγκεφάλου. Επιπλέον, οι καθρέφτες μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να ενεργοποιούνται και να απενεργοποιούνται ανάλογα με τη νευρωνική δραστηριότητα, επιτρέποντας καλύτερη απεικόνιση σε όλες τις καταστάσεις του εγκεφάλου.

πηγή – Molly M Bechtel, University of California, Davis

Αποτελέσματα Δοκιμής Διφωτονικής Μικροσκόπης Δύο Φωτονίων

Τα αποτελέσματα των δοκιμών έχουν αποδώσει απροσδόκητα δεδομένα που έχουν τη δυνατότητα να βελτιώσουν τις τρέχουσες μεθόδους και να ανατρέψουν τη βιομηχανία. Κατ’ αρχάς, η μελέτη αποκάλυψε πώς η διφωτονική φθορισμού μικροσκόπηση προσφέρει ασύγκριτη κατανόηση της εσωτερικής λειτουργίας του εγκεφάλου. Η δυνατότητα δημιουργίας εικόνων υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιώντας σύντομη γραμμική διέγερση και το σχήμα προσαρμοστικής δειγματοληψίας ανοίγει το δρόμο για πολλές πιθανές μελλοντικές χρήσεις.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η νέα μέθοδος τους επέτρεψε να παρακολουθούν μεμονωμένους νευρώνες σε επίπεδο που δεν ήταν ποτέ δυνατό νωρίτερα. Αυτά τα νέα δεδομένα θα συμβάλουν στη δημιουργία προηγμένων υπολογιστικών αλγορίθμων που κάποια μέρα θα βοηθήσουν τους νευρολόγους να απομονώσουν και να κατανοήσουν καλύτερα τη λειτουργία των μεμονωμένων νευρώνων.

Οφέλη

Αυτή η μελέτη προσφέρει μια μακριά λίστα ωφελειών στην αγορά. Κατ’ αρχάς, αυτό το στυλ απεικόνισης του εγκεφάλου επιτρέπει στους ερευνητές να κατανοήσουν τη λειτουργική αρχιτεκτονική του εγκεφάλου με τρόπους που προηγουμένως ήταν αδιανόητοι. Μπορούν πλέον να δουν πώς ορισμένα κύτταρα του εγκεφάλου αλληλεπιδρούν και επικοινωνούν κατά τη διάρκεια συγκεκριμένων διαδικασιών.

Θεραπεία Νευρολογικών Παθήσεων

Αυτή η κατανόηση μπορεί να αποδειχθεί καθοριστική στην καταπολέμηση της αύξησης των νευρολογικών ασθενειών όπως η νόσος του Αλτσχάιμερ και του Πάρκινσον. Και οι δύο αυτές παθήσεις αφαιρούν τη ζωή σε εκατοντάδες χιλιάδες ανθρώπους ετησίως. Στις ΗΠΑ, περίπου +120 χιλιάδες άνθρωποι πεθαίνουν μόνο από το Αλτσχάιμερ. Δυστυχώς, αυτός ο αριθμός προβλέπεται να αυξηθεί σε 13,8 εκατομμύρια παγκοσμίως μέχρι το 2060.

Η κατανόηση του πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος σε αυτές τις καταστάσεις σε σύγκριση με την υγιή κατάσταση μπορεί να επιτρέψει στους μηχανικούς να γεφυρώσουν αυτό το χάσμα και να επαναφέρουν τον εγκέφαλο στις αρχικές του λειτουργίες. Προς το παρόν, τα δεδομένα έχουν τεράστια αξία στην αποκάλυψη των πολλών μυστικών που απαιτούνται για να γίνει αυτή η μορφή θεραπείας πραγματικότητα.

Μάθηση

Ένας άλλος σημαντικός λόγος για τον οποίο η παρακολούθηση της δραστηριότητας του εγκεφάλου είναι κρίσιμη για το μέλλον ενός έθνους είναι ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της μάθησης. Η κατανόηση του τι κάνει μια μνήμη να παραμένει ή πώς να ανακαλούμε στοιχεία πιο γρήγορα είναι μόνο μερικές από τις περιοχές ενδιαφέροντος που αυτό το στυλ παρακολούθησης του εγκεφάλου θα μπορούσε να βελτιώσει. Στο μέλλον, τα σχολικά προγράμματα θα μπορούσαν να βασίζονται στην νευρωνική διατήρηση αντί στα σημερινά πολλά πρότυπα.

Ταχύτερες Εικόνες

Η χρήση των παλαιών μεθόδων για τη μέτρηση της νευρολογικής δραστηριότητας ήταν αποτελεσματική αλλά χρονοβόρα. Επίσης, δεν παρείχαν αρκετά γρήγορες εικόνες για να δώσουν στους ερευνητές τις λεπτομέρειες που απαιτούνται για μια σύνθετη κατανόηση των ψυχικών ενεργειών. Αυτή η νέα μέθοδος είναι 10 φορές πιο γρήγορη από την παραδοσιακή διφωτονική μικροσκοπία, επιτρέποντας στους ερευνητές να παρακολουθούν και να εντοπίζουν ψυχικά φαινόμενα που τα παλαιότερα συστήματα δεν μπορούσαν να καταγράψουν.

Λιγότερη Βλάβη

Η ταχύτερη απόδοση σημαίνει λιγότερη έκθεση των ασθενών. Επιπλέον, το σύστημα απαιτεί λιγότερο ισχυρά λέιζερ. Με τη μείωση της ισχύος του λέιζερ και τη συντομότερη έκθεση, οι ασθενείς υφίστανται πολύ λιγότερη ενεργειακή ακτινοβολία που κατατίθεται στον εγκεφαλικό ιστό. Το νέο σύστημα φωτίζει μόνο τους σχετικούς νευρώνες, μειώνοντας τον κίνδυνο βλάβης του ευαίσθητου ιστού.

Μειωμένο Κόστος

Η μείωση του κόστους είναι ένα ακόμη όφελος που προσφέρει η νέα προσέγγιση. Σύμφωνα με τη μελέτη, η διφωτονική φθορισμού μικροσκόπηση απαιτεί 10 φορές λιγότερη ισχύ λέιζερ σε σύγκριση με τις παραδοσιακές διφωτονικές μεθόδους. Αυτή η μείωση της ισχύος σημαίνει μεγαλύτερη βιωσιμότητα και λιγότερο περιβαλλοντικό αποτύπωμα.

Επεκτάσιμο

Ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα της νέας τεχνικής είναι ότι μπορεί να συνδυαστεί άψογα με άλλες αποτελεσματικές μεθόδους. Ήδη, οι ερευνητές έχουν δηλώσει σχέδια να συνδυάσουν τη συσκευή με άλλες διαδικασίες όπως η πολλαπλή εκπομπή δέσμης και η απομακρυσμένη εστίαση. Αυτές οι τεχνικές αυξάνουν την ταχύτητα απεικόνισης και επιτρέπουν τη δημιουργία όγκοων τρισδιάστατων εικόνων σε πραγματικό χρόνο.

Ερευνητές

Αυτή η μελέτη πραγματοποιήθηκε στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Ντέιβις, με τον Yunyang Li ως κύριο συγγραφέα. Η ερευνητική ομάδα περιλάμβανε τους Ben Mattison, Junjie Hu, Kwun Nok Mimi Man, Shu Guο και Weijian Yang. Η χρηματοδότηση του έργου προήλθε από διάφορες πηγές, συμπεριλαμβανομένου του Burroughs Wellcome Fund, του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών (National Science Foundation), του Εθνικού Ινστιτούτου Νευρολογικών Διαταραχών και Εγκεφαλικού Επεισοδίου (National Institute of Neurological Disorders and Stroke) και του Εθνικού Ινστιτούτου Ματιού (National Eye Institute).

Δύο Εταιρείες που Μπορούν να Ωφεληθούν από αυτήν την Έρευνα

Πολλοί κατασκευαστές θα μπορούσαν να ενσωματώσουν αυτήν την τεχνολογία στα προϊόντα τους για να προσφέρουν υψηλότερο επίπεδο υπηρεσιών στην αγορά. Από εταιρείες που επιδιώκουν να αντιμετωπίσουν τη άνοια μέχρι εταιρείες ρομποτικής, υπάρχουν ατελείωτοι λόγοι για τους οποίους η αξιοποίηση της δραστηριότητας του εγκεφάλου και η κατανόησή της έχουν νόημα. Εδώ είναι δύο εταιρείες που είναι σε θέση να υιοθετήσουν αυτήν την τεχνολογία τους επόμενους μήνες.

1. BrainChip Holdings Ltd

Η BrainChip Holdings Ltd (BRN.AX ) είναι ένας δημοφιλής προσομοιωτής λογισμικού δικτύου εγκεφάλου. Η εταιρεία εισήλθε στην αγορά το 2004 και εδρεύει στην Αυστραλία. Ο ιδρυτής της, Peter Van Der Made, έχει διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στη διατήρηση των πρωτοποριακών προσπαθειών της εταιρείας εστιασμένων στην ενσωμάτωση προηγμένης τεχνητής νοημοσύνης (AI) και μηχανικής μάθησης (ML) για τη βελτίωση των αποτελεσμάτων τους.

Σήμερα, η εταιρεία προσφέρει μια ποικιλία προϊόντων, συμπεριλαμβανομένης μιας υποδομής IoT που μοντελοποιείται μετά το νευρωνικό δίκτυο του εγκεφάλου. Ένα άλλο δημοφιλές προϊόν που έχει βοηθήσει τη BrainChip να κερδίσει φήμη είναι το Akita Development Environment, το οποίο επιτρέπει στους προγραμματιστές να δημιουργούν, να εκπαιδεύουν και να δοκιμάζουν πειραματικά νευρωνικά δίκτυα.

Η BrainChip Holdings έχει αντιμετωπίσει ορισμένα μειονεκτήματα από το 2023. Ωστόσο, το πιο πρόσφατο λογισμικό της εταιρείας και οι επενδύσεις στους τομείς AI και ML έχουν αναζωογονήσει το ενδιαφέρον των επενδυτών. Ως εκ τούτου, η BrainChip Holdings Ltd θεωρείται ότι έχει ισχυρό δυναμικό άνοδος.

2. Biogen

Η Biogen είναι μια φαρμακευτική ερευνητική εταιρεία που πρόσφατα έχει προκαλέσει εντύπωση στην αγορά. Ο κατασκευαστής με έδρα το Μασαχουσέτη εξειδικεύεται στη θεραπεία και φροντίδα νευρολογικών ασθενειών. Προς το παρόν, διαθέτει προϊόντα που βοηθούν στη θεραπεία νευρολογικών, νευροεκφυλιστικών και αυτοάνοσων ασθενειών.

Η Biogen έχει αντιμετωπίσει κάποιες κριτικές για την επιτάχυνση ορισμένων θεραπειών της, αλλά αυτό δεν έχει επιβραδύνει την άνοδο της εταιρείας στην κυριαρχία της αγοράς. Η πιο πρόσφατη κυκλοφορία της, Leqembi, εγκρίθηκε από το FDA με διαδικασία ταχείας έγκρισης και σχεδιάστηκε για τη θεραπεία της νόσου του Αλτσχάιμερ. Η εταιρεία έχει παρατηρήσει ότι η χρήση του τελευταίου φαρμάκου της σχεδόν τριπλασιάστηκε τον τελευταίο χρόνο, γεγονός που έχει βοηθήσει την εταιρεία να εξασφαλίσει ισχυρότερη θέση στην αγορά. Ως εκ τούτου, η πρώιμη έκθεση της Biogen στην αγορά θεραπειών του Αλτσχάιμερ και ο συνδυασμός των προσφορών της την καθιστούν μια πιθανή ισχυρή αγορά για τους επενδυτές.

Η Διφωτονική Μικροσκόπηση Δύο Φωτονίων Παρέχει Μια Ματιά στο Μέλλον

Η διφωτονική φθορισμού μικροσκόπηση φέρνει την ανθρωπότητα ένα βήμα πιο κοντά στο να μπορεί να αλληλεπιδρά με το περιβάλλον της χρησιμοποιώντας μόνο τη σκέψη. Αυτή η καινοτόμος ερευνητική ομάδα έχει ωθήσει τα όρια της νευρολογικής έρευνας και έχει αποκομίσει πρωτοφανή κατανόηση της ανθρώπινης εγκεφαλικής δραστηριότητας. Η έρευνα αυτή σίγουρα θα δημιουργήσει επιπλέον μελέτες που κάποια μέρα θα οδηγήσουν σε λιγότερες νευρολογικές ασθένειες και πολλές άλλες προόδους.

Μάθετε για άλλα ενδιαφέροντα έργα υγείας τώρα.