Kaksifotonimikroskooppi mahdollistaa tutkijoille aivojen toiminnan reaaliaikaisen seurannan

Aivojen toiminnan seuranta on ollut keskeinen osa neurotiedettä siitä lähtien, kun kyky alkoikin. Ihmisen aivot ovat vähemmän ymmärrettyjä kuin avaruus ja valtameret. Tästä syystä on käynnissä valtava pyrkimys selvittää mielessäsi piilevät mysteerit. Nyt tutkijat voivat tutkia mielentoimintaa syvemmin reaaliaikaisesti mullistavan kaksifotonifluoresenssimikroskoopin menetelmän avulla. Tässä on, mitä sinun tarvitsee tietää.

Aivojen toiminnan ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää monille aloille, mukaan lukien neurodegeneratiivisten sairauksien, kuten Alzheimerin taudin, hoito. Tiedemiehet ovat käyttäneet huomattavaa vaivaa selvittääkseen, miten neuronit kommunikoivat ja vuorovaikuttavat ajatuksen aikana. Tämän tutkimuksen tavoitteena on täysin ymmärtää monimutkaiset hermoyhteydet solutasolla.

Tutkijat toivovat käyttävänsä tätä dataa valaisemaan aivojen perustoimintoja, mikä voisi joskus johtaa parempaan oppimiseen, muistiin, päätöksentekoon ja terveydenhuoltoon. Tämän tehtävän saavuttamiseksi he loivat kehittyneen kaksifotonkuvantamistyökalun, joka pystyy seuraamaan dynaamisia hermoprosesseja reaaliaikaisesti, tarjoten syvemmän näkemyksen aivoihin oppimisen, toiminnan ja tautitilojen aikana.

Nykyiset aivojen toiminnan rekisteröintimenetelmät

Nykyään käytössä on useita aivojen toiminnan rekisteröintimenetelmiä. Nämä lähestymistavat ovat auttaneet alaa kehittymään tähän asti. Niillä on kuitenkin merkittäviä haittoja, kuten pidempi seuranta-aika, mahdollinen haitta potilaalle ja korkea kustannus. Kaksi yleisintä nykyistä menetelmää ovat funktionaalinen magneettikuvaus (fMRI) ja elektroenkefalografia (EEG).

Funktionaalinen magneettikuvaus (fMRI)

Funktionaalinen magneettikuvaus on yksi kehittyneimmistä aivoaaltojen seurantamenetelmistä nykyään. Tämä ei-invasiivinen toimenpide yhdistää magneettikenttiä ja radiotaajuuksia luodakseen 3D-kuvan aivojesi sähkömagneettisista pulssista. Tämä strategia merkitsi suurta parannusta aiempiin vaihtoehtoihin verrattuna, sillä se mahdollisti tutkijoiden tarkentaa tiettyyn neuronijoukkoon, parantaen merkittävästi ymmärrystä aivojen toiminnasta.

Elektroenkefalografia (EEG)

Toinen elokuvissa nähty menetelmä on elektroenkefalografia. Tämä lähestymistapa mittaa aivojesi sähköistä toimintaa. Potilaat asettavat erityisiä antureita päänahkaan, jotka ovat herkkiä sähkövirroille. Tämä aivoaaltojen seuranta on ollut käytössä vuodesta 1975, jolloin Richard Caton käytti sitä menestyksekkäästi seuraamaan sähköisiä pulssia jänisten ja apinoiden aivoissa.

Siitä lähtien tämä aivojen toiminnan rekisteröintimenetelmä on kehittynyt merkittävästi. 1950-luvulla otettiin käyttöön ensimmäinen moderni EEG-versio. Se toimi luotettavasti pääasiallisena aivoaaltojen seurantamenetelmänä 1980-luvulle asti. Vuonna 1988 sitä käytettiin mahdollistamaan henkilön ohjata robottia, ja se on edelleen monien tutkijoiden käytössä.

Tutkimus

Tutkimus “Korkeanopeinen kaksifotonimikroskopia adaptiivisella linja-eksitaatiolla” julkaistiin Opticassa, paljastaen kuinka kaksifotonimikroskopia voi tarjota vertaansa vailla olevia nopeita kuvia hermotoiminnasta. Nämä kuvat otettiin solutasolla käyttäen erityisesti suunniteltua kaksifotonifluoresenssimikroskooppia.

Kaksifotonifluoresenssimikroskooppi

Kaksifotonifluoresenssimikroskooppi pystyy tarjoamaan eloisia kuvia syvälle aivokudokseen. Tämän tehtävän toteuttamiseksi mekanismi esittelee adaptiivisen näytteenottorakenteen. Tämä rakenne toistetaan kokeen aikana luoden dynaamisia 3D-kuvia ja aivotoiminnan karttoja.

Adaptiivinen näytteenottostrategia

Tutkimuksen ytimessä on adaptiivisen näytteenottostrategian käyttöönotto. Tämä menetelmä korvaa perinteiset pistevalaistustekniikat. Sen sijaan käytetään tehokkaampaa linjavalaisustrategiaa yhdessä päivitetyn piste-skannausmenetelmän kanssa, joka tarjoaa paljon enemmän yksityiskohtia ja seurantakykyä verrattuna aiempiin menetelmiin.

Piste-skannaus

Vanhojen menetelmien piste-skannaus jätti paljon toivomisen varaa. Yksi ongelma oli sen äärimmäinen tarkkuus, mikä usein johti kyvyttömyyteen seurata koko neuronijonoa aivoissa. Uusi piste-skannausmenetelmä käyttää muokattua linjavalaisustrategiaa jäljitelläkseen korkean tarkkuuden piste-skannausmenetelmiä. Tämä strategia on ratkaiseva aivojen alueiden tunnistamisessa, jotka tarvitsevat siirtymistä prosessin seuraavaan vaiheeseen, linjaskannaus.

Linjavalaisuus

Linjavalaisuus on läpimurto neurotieteen insinööreille. Menetelmä projisoi pienen valolinjan näytetyn alueen yli. Tämä lähestymistapa aktivoi fluoresenssin, mikä helpottaa neurologisten signaalien seuraamista aivoissa alusta loppuun. Lisäksi tämä menetelmä mahdollistaa paljon suuremman aivoalueen aktivoinnin, skannauksen ja kartoituksen reaaliaikaisesti.

Kaksifotonimikroskoopin testaus

Kaksifotonifluoresenssimikroskoopin testausvaiheessa käytettiin kahta laboratoriokirhoa, joissa tutkijat pystyivät seuraamaan neuronitoimintaa hiiren aivokuoressa reaaliaikaisesti. Huomionarvoista on, että laite pystyy tällä hetkellä tallentamaan kuvasignaaleja jopa 198 Hz. Tässä testissä insinöörit seurasivat kalsiumsignaaleja, jotka voivat ilmaista äskettäistä hermotoimintaa.

Digitaalinen mikrokynsimalli (DMD)

Tämän tehtävän toteuttamiseksi muodostetaan erityisesti konfiguroitu laserin sädekuvio digitaalisen mikrokynsimallin (DMD) avulla. Tämä laite sisältää tuhansia mikroskooppisia peilejä. Jokaisella peilillä on yksilölliset ohjaimet, jotka mahdollistavat valon muotoilun ja kohdistamisen tarkkoihin aivojen osiin. Lisäksi peilit voidaan asettaa aktivoitumaan ja deaktivoitumaan hermotoiminnan perusteella, mikä mahdollistaa paremman kuvantamisen kaikissa aivotiloissa.

source – Molly M Bechtel, University of California, Davis

Kaksifotonifluoresenssimikroskoopin testitulokset

Testitulokset ovat tuottaneet odottamattomia tietoja, joilla on potentiaalia parantaa nykyisiä menetelmiä ja mullistaa alan. Yksi havainto oli, että kaksifotonifluoresenssimikroskooppi tarjoaa vertaansa vailla olevaa näkemystä aivojen sisäiseen toimintaan. Kyky luoda nopeita kuvia lyhyen linja-eksitaation ja adaptiivisen näytteenottokaavan avulla avaa monia mahdollisia tulevia käyttötapoja.

Tutkijat havaitsivat, että uusi menetelmä mahdollisti yksittäisten neuronien seurannan tasolla, jota ei ole aiemmin ollut mahdollista. Tämä uusi data edistää kehittyneiden laskennallisten algoritmien luomista, jotka tulevaisuudessa auttavat neurologeja eristämään ja paremmin ymmärtämään yksittäisten neuronien käyttöä.

Hyödyt

Tämä tutkimus tuo markkinoille pitkän listan hyötyjä. Yksi näistä on, että tällainen aivojen kuvantamistyyli antaa tutkijoille mahdollisuuden ymmärtää aivojen toiminnallista arkkitehtuuria tavoilla, joita ei aiemmin ole voitu kuvitella. He voivat nyt nähdä, miten tietyt aivosolut vuorovaikuttavat ja kommunikoivat erityisten prosessien aikana.

Neurologisten sairauksien hoito

Tämä ymmärrys voi olla ratkaisevan tärkeä taisteltaessa neurologisten sairauksien, kuten Alzheimerin ja Parkinsonin, nousua vastaan. Molemmat sairaudet vievät satojen tuhansien ihmisten henkiä vuosittain. Yhdysvalloissa noin +120 000 ihmistä kuolee pelkästään Alzheimeriin. Valitettavasti tämä luku on odotettavissa nousevan 13,8 miljoonaan maailmanlaajuisesti vuoteen 2060 mennessä.

Oppiminen

Toinen merkittävä syy, miksi aivojen toiminnan seuranta on tärkeää kansakunnan tulevaisuudelle, on sen mahdollisuus parantaa oppimista. Ymmärtäminen siitä, mikä tekee muistista pysyvän tai miten muistaa asiat nopeammin, on vain muutama kiinnostuksen kohde, joita tämä aivojen seuranta voi kehittää. Tulevaisuudessa koulun opetussuunnitelmat voisivat perustua hermostolliseen säilyvyyteen nykyisten monien standardien sijaan.

Kuvat nopeammin

Vanhojen menetelmien käyttö neurologisen toiminnan mittaamiseen oli tehokasta, mutta aikaa vievää. Ne eivät myöskään tarjonneet tarpeeksi nopeita kuvia, jotta tutkijat saisivat yksityiskohtia monimutkaisen mielitoimintojen ymmärtämiseen. Tämä uusi menetelmä on 10‑kertaa nopeampi kuin perinteinen kaksifotonimikroskopia, mahdollistaen tutkijoiden seurata ja tarkkailla mielentapahtumia, joita vanhat järjestelmät eivät pystyneet havaitsemaan.

Vähemmän haittaa

Nopeampi suorituskyky tarkoittaa vähemmän altistumista potilaille. Lisäksi järjestelmä vaatii vähemmän voimakkaita laseja. Vähentämällä laserin tehoa ja lyhentämällä altistusaikaa potilaat saavat huomattavasti vähemmän energiasäteilyä aivokudoksessaan. Uusi järjestelmä valaisee vain kyseiset neuronit, mikä vähentää herkän kudoksen vaurioitumisriskiä.

Vähemmän kustannuksia

Kustannusten vähentäminen on toinen uuden lähestymistavan etu. Tutkimuksen mukaan kaksifotonifluoresenssimikroskooppi tarvitsee 10‑kertaa vähemmän laseritehoa verrattuna perinteisiin kaksifotonmenetelmiin. Tämä tehon väheneminen tarkoittaa suurempaa kestävyyttä ja pienempää ympäristövaikutusta.

Laajennettavissa

Yksi suurimmista uuden tekniikan eduista on sen saumaton yhdistettävyys muihin tehokkaisiin menetelmiin. Tutkijat ovat jo ilmoittaneet suunnitelmistaan yhdistää laite muihin toimenpiteisiin, kuten säde-multipleksaukseen ja etäkeskittymiseen. Nämä tekniikat lisäävät kuvantamisnopeutta ja mahdollistavat tilavuuksellisten 3D-kuvien luomisen reaaliaikaisesti.

Tutkijat

Tämä tutkimus toteutettiin Kalifornian yliopistossa Davisissa, Yunyang Li toimi pääkirjoittajana. Tutkimusryhmään kuuluivat Ben Mattison, Junjie Hu, Kwun Nok Mimi Man, Shu Guo ja Weijian Yang. Projektin rahoitus tuli eri lähteistä, mukaan lukien Burroughs Wellcome Fund, National Science Foundation, National Institute of Neurological Disorders and Stroke sekä National Eye Institute.

Kaksi yritystä, jotka voivat hyötyä tästä tutkimuksesta

1. BrainChip Holdings Ltd

ASX Hintakaavio

BrainChip Holdings Ltd (BRN.AX ) on suosittu aivoverkkojen ohjelmistosimulaattori. Yritys tuli markkinoille vuonna 2004 ja sijaitsee Australiassa. Sen perustaja Peter Van Der Made on ollut keskeinen pitämään yrityksen pioneirityön keskittyneenä kehittyneen tekoälyn (AI) ja koneoppimisen (ML) integrointiin tulosten parantamiseksi.

Tänä päivänä yritys tarjoaa erilaisia tuotteita, mukaan lukien IoT-infrastruktuurin, joka on mallinnettu aivojen hermoverkosta. Toinen suosittu tuote, joka on auttanut BrainChipia saamaan mainetta, on Akita Development Environment, jonka avulla kehittäjät voivat luoda, kouluttaa ja testata kokeellisia hermoverkkoja.

BrainChip Holdings on havainnut joitakin haittoja vuodesta 2023 lähtien. Kuitenkin yrityksen uusin ohjelmisto ja AI- ja ML-sektoreihin suuntautuvat hankkeet ovat herättäneet sijoittajien kiinnostuksen uudelleen. Tästä syystä BrainChip Holdings Ltd nähdään vahvalla nousupotentiaalilla.

2. Biogen

BIIB Hintakaavio

Biogen on lääketieteellinen tutkimusyritys, joka on viime aikoina herättänyt huomiota markkinoilla. Massachusettsissa sijaitseva valmistaja on erikoistunut neurologisten sairauksien hoitoon ja hoivaan. Tällä hetkellä sillä on tuotteita, jotka auttavat hoitamaan neurologisia, neurodegeneratiivisia ja autoimmuunisairauksia.

Biogen on saanut kritiikkiä joidenkin hoitojen nopeasta läpiviennistä, mutta se ei ole hidastanut yrityksen nousua merkittäväksi toimijaksi markkinoilla. Heidän viimeisin julkaisu, Leqembi, sai FDA:n nopeutetun hyväksynnän ja on suunniteltu hoitamaan Alzheimerin tautia. Yritys on nähnyt viimeisen vuoden aikana sen uusimman lääkkeen käytön lähes kolminkertaistuvan, mikä on auttanut yritystä vahvistamaan markkina-asemaansa. Tästä syystä Biogenin varhainen läsnäolo Alzheimerin hoitomarkkinoilla ja sen tarjoamien tuotteiden yhdistelmä tekee siitä potentiaalisen vahvan ostoksen kauppiaille.

Kaksifotonimikroskooppi tarjoaa kurkistuksen tulevaisuuteen

Kaksifotonifluoresenssimikroskooppi vie ihmiskuntaa askeleen lähemmäs kykyä olla vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa pelkästään ajatuksen avulla. Tämä innovatiivinen tutkimusryhmä on työntänyt neurotieteen rajoja ja saavuttanut ennennäkemättömän näkemyksen ihmisen aivojen toiminnasta. Tämä tutkimus varmasti synnyttää lisätutkimuksia, jotka voivat joskus johtaa vähemmän neurologisiin sairauksiin ja moniin muihin edistysaskeliin.

Tutustu muihin hienoihin terveys projekteihin nyt.