Twee-fotonmicroscoop stelt onderzoekers in staat om hersenactiviteit in realtime te monitoren

Het monitoren van hersenactiviteit is sinds het ontstaan van deze mogelijkheid een kernonderdeel van de neurowetenschap. Het menselijk brein wordt minder begrepen dan het universum en de oceanen. Daarom is er een enorme inspanning om de mysteries die zich in uw geest bevinden te ontrafelen. Nu kunnen onderzoekers dieper ingaan op mentale activiteit in realtime met behulp van een revolutionaire twee-fotonfluorescentiemicroscoopmethode. Hier is wat u moet weten.

Het begrijpen van hersenactiviteit is cruciaal voor vele sectoren, waaronder de behandeling van neurologische aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer. Wetenschappers hebben veel moeite gestoken in het ontrafelen van hoe neuronen communiceren en interageren tijdens gedachten. Het doel van dit onderzoek is om complexe neurale interacties volledig te begrijpen tot op cellulair niveau.

Onderzoekers hopen deze gegevens te gebruiken om licht te werpen op fundamentele hersenfuncties, wat op een dag kan leiden tot verbeterd leren, geheugen, besluitvorming en gezondheidszorg. Om deze taak te volbrengen hebben ze een geavanceerd twee-fotonbeeldvormingsinstrument gecreëerd dat dynamische neurale processen in realtime kan volgen, waardoor een dieper inzicht in de hersenen tijdens leren, activiteiten en ziekte‑toestanden mogelijk wordt.

Huidige methoden voor het registreren van hersenactiviteit

Er zijn verschillende methoden om hersenactiviteit te registreren die momenteel in gebruik zijn. Deze benaderingen hebben de industrie tot nu toe laten ontwikkelen. Ze hebben echter enkele belangrijke nadelen, waaronder dat ze meer tijd kosten om activiteit te monitoren, schadelijk kunnen zijn voor de patiënt en kostbaar zijn. De twee meest voorkomende methoden die vandaag de dag worden gebruikt, zijn functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) en elektro‑encefalografie (EEG).

Functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI)

Functionele magnetische resonantiebeeldvorming is een van de meest geavanceerde methoden die vandaag worden gebruikt om hersengolven te monitoren. Deze niet‑invasieve procedure combineert magnetische velden en radiogolven om een 3D‑beeld te creëren van de elektromagnetische pulsen van uw hersenen. Deze strategie betekende een grote verbetering ten opzichte van eerdere opties, omdat onderzoekers konden inzoomen op een specifieke groep neuronen, waardoor hun algehele begrip van hersenactiviteit aanzienlijk werd verbeterd.

Elektro‑encefalografie (EEG)

Een andere methode die u misschien in films heeft gezien, is elektro‑encefalografie. Deze benadering meet de elektrische activiteit van uw hersenen. Patiënten moeten speciale sensoren op hun hoofdhuid plaatsen die gevoelig zijn voor elektrische stromen. Deze methode om hersengolven te volgen wordt sinds 1975 gebruikt, toen Richard Caton het voor het eerst toepaste om de elektrische pulsen in de hersenen van konijnen en apen met succes te volgen.
Sindsdien is deze methode voor het registreren van hersenactiviteit aanzienlijk verbeterd. In de jaren 50 werd de eerste moderne versie van de EEG geïntroduceerd. Deze diende trouw als de primaire methode om hersengolven te volgen tot in de jaren 80. In 1988 werd het gebruikt om een persoon een robot te laten besturen en wordt nog steeds door veel onderzoekers gebruikt.

Studie

De studie “High-speed two-photon microscopy with adaptive line-excitation” werd gepubliceerd in Optica en onthulde hoe twee-fotonmicroscopie ongeëvenaarde hogesnelheidsbeelden van neurale activiteit kan leveren. Deze foto’s werden gemaakt met een cellulair resolutie met behulp van een speciaal gebouwde twee-fotonfluorescentiemicroscoop.

Twee-fotonfluorescentiemicroscoop

De twee-fotonfluorescentiemicroscoop is in staat levendige beelden diep in hersenweefsel te leveren. Om deze taak te volbrengen, introduceert het mechanisme een adaptieve bemonsteringsstructuur. Deze structuur wordt gedurende het experiment herhaald om dynamische 3D‑beelden en kaarten van hersenactiviteit te creëren.

Adaptieve bemonsteringsstrategie

In het hart van de studie staat de introductie van de adaptieve bemonsteringsstrategie. Deze methode vervangt traditionele puntverlichtings technieken. In plaats daarvan wordt een effectievere lijnverlichtingsstrategie toegepast, samen met een bijgewerkte punt‑scanmethode die veel meer detail en monitoringsmogelijkheden biedt dan eerdere methoden.

Punt‑scannen

Punt‑scannen in oude methoden liet veel te wensen over. Ten eerste was het extreem specifiek, wat vaak leidde tot het onvermogen om een volledige neuronreeks door de hersenen te volgen. De nieuwe punt‑scanmethode gebruikt een aangepaste lijnverlichtingsstrategie om hoog‑resolutie punt‑scanmethoden te imiteren. Deze strategie is cruciaal voor het identificeren welke hersengebieden naar de volgende stap van het proces, lijn‑scannen, moeten gaan.

Lijnverlichting

Lijnverlichting is een doorbraak voor neurowetenschappelijke ingenieurs. De methode projecteert een kleine lichtlijn over een bemonsterd gebied. Deze aanpak exciteert fluorescentie, waardoor het gemakkelijker wordt om neurologische signalen door de hersenen van begin tot eind te volgen. Bovendien maakt deze aanpak een veel groter gebied van de hersenen mogelijk om te exciteren, scannen en in realtime in kaart te brengen.

Testen van twee-fotonmicroscoop

De testfase van de twee-fotonfluorescentiemicroscoop betrof twee laboratoriummuizen, waarbij onderzoekers neuronale activiteit in een muiscortex in realtime konden volgen. Opmerkelijk is dat het apparaat momenteel beeldsignalen tot 198 Hz kan vastleggen. In deze test volgden de ingenieurs calciumsignalen die recente neurale activiteit kunnen aangeven.

Digitale micromirror‑apparaat (DMD)

Om deze taak te volbrengen, wordt een speciaal geconfigureerd laserstraalpatroon gevormd met behulp van een digitale micromirror‑apparaat (DMD). Deze eenheid bevat duizenden microscopische spiegels. Elk van deze spiegels heeft individuele besturingen die hen in staat stellen licht te vormen en te richten op precieze delen van de hersenen. Bovendien kunnen de spiegels worden ingesteld om te activeren en deactiveren op basis van neurale activiteit, waardoor betere beeldvorming over alle hersentoestanden mogelijk wordt.

bron – Molly M Bechtel, University of California, Davis

Testresultaten van twee-fotonfluorescentiemicroscoop

De testresultaten hebben onverwachte gegevens opgeleverd die de potentie hebben om de huidige methoden te verbeteren en de industrie te verstoren. Ten eerste onthulde de studie hoe de twee-fotonfluorescentiemicroscoop ongeëvenaarde inzichten biedt in de innerlijke werking van de hersenen. Het vermogen om hogesnelheidsbeelden te creëren met korte‑lijn excitatie en het adaptieve bemonsteringsschema opent de deur naar vele potentiële toekomstige toepassingen.
De onderzoekers ontdekten dat de nieuwe methode hen in staat stelde individuele neuronen te monitoren op een niveau dat nooit eerder mogelijk was. Deze nieuwe gegevens zullen worden gebruikt om geavanceerde computationele algoritmen te ontwikkelen die op een dag neurologen zullen helpen individuele neuronen te isoleren en beter te begrijpen.

Voordelen

Deze studie brengt een lange lijst van voordelen naar de markt. Ten eerste stelt deze vorm van hersenbeeldvorming onderzoekers in staat de functionele architectuur van de hersenen te begrijpen op manieren die voorheen onvoorstelbaar waren. Ze kunnen nu zien hoe bepaalde hersencellen interageren en communiceren tijdens specifieke processen.

Behandeling van neurologische aandoeningen

Dit begrip kan van cruciaal belang zijn bij het bestrijden van de toename van neurologische aandoeningen zoals Alzheimer en Parkinson. Beide ziekten nemen jaarlijks het leven van honderdduizenden mensen. In de VS sterven jaarlijks ongeveer +120 000 mensen alleen aan Alzheimer. Helaas zal dit aantal tegen 2060 wereldwijd stijgen tot 13,8 miljoen.
Begrijpen hoe de hersenen functioneren in deze toestanden versus wanneer ze gezond zijn, kan ingenieurs in staat stellen deze kloof te overbruggen en de hersenen terug te brengen naar hun oorspronkelijke werking. Voor nu heeft de data enorme waarde bij het ontsluiten van de vele geheimen die nodig zijn om dit type behandeling werkelijkheid te maken.

Leren

Een andere belangrijke reden waarom het monitoren van hersenactiviteit cruciaal is voor de toekomst van een natie, is dat het kan worden gebruikt om leren te verbeteren. Begrijpen wat een herinnering vasthoudt of hoe items sneller kunnen worden opgeroepen, zijn slechts enkele interessegebieden die deze vorm van hersenmonitoring kan verbeteren. In de toekomst zou het schoolcurriculum gebaseerd kunnen worden op neurale retentie in plaats van de vele huidige standaarden.

Snellere beelden

Het gebruik van de oude methoden om neurologische activiteit te meten was effectief maar tijdrovend. Ze leverden ook niet snel genoeg beelden om onderzoekers de details te geven die nodig zijn voor een complex begrip van mentale handelingen. Deze nieuwe methode is 10 keer sneller dan traditionele twee-fotonmicroscopie, waardoor onderzoekers mentale fenomenen kunnen monitoren en volgen die oudere systemen niet konden registreren.

Minder schade

De snellere prestaties betekenen minder blootstelling voor de patiënten. Bovendien vereist het systeem minder krachtige lasers. Door het vermogen van de laser te verlagen en de blootstelling te verkorten, ondervinden patiënten veel minder energieradiatie die op hun hersenweefsel wordt afgezet. Het nieuwe systeem verlicht alleen de betreffende neuronen, waardoor het risico op schade aan gevoelig weefsel wordt verminderd.

Minder kosten

Kostenreductie is een ander voordeel van de nieuwe aanpak. Volgens de studie vereist de twee-fotonfluorescentiemicroscoop 10 keer minder laservermogen vergeleken met de traditionele twee-fotonmethoden. Deze vermindering van vermogen betekent meer duurzaamheid en minder milieu-impact.

Uitbreidbaar

Een van de grootste voordelen van de nieuwe techniek is dat deze naadloos kan worden gecombineerd met andere effectieve methoden. De onderzoekers hebben al plannen aangekondigd om het apparaat te koppelen aan andere procedures zoals bundelmultiplexing en remote focusing. Deze technieken verhogen de beeldsnelheid en maken het mogelijk om volumetrische 3D‑beelden in realtime te creëren.

Onderzoekers

Deze studie werd uitgevoerd aan de University of California, Davis, met Yunyang Li als hoofdauteur. Het onderzoeksteam bestond uit Ben Mattison, Junjie Hu, Kwun Nok Mimi Man, Shu Guo en Weijian Yang. Financiering voor het project kwam uit verschillende bronnen, waaronder de Burroughs Wellcome Fund, de National Science Foundation, het National Institute of Neurological Disorders and Stroke en het National Eye Institute.

Twee bedrijven die kunnen profiteren van dit onderzoek

Veel fabrikanten zouden deze technologie in hun aanbod kunnen integreren om een hoger serviceniveau aan de markt te bieden. Van bedrijven die dementie willen verlichten tot robotica‑bedrijven, er zijn talloze redenen waarom het benutten van de hersenactiviteit en -begrip logisch is. Hier zijn twee bedrijven die klaarstaan om deze technologie in de komende maanden te adopteren.

1. BrainChip Holdings Ltd

BrainChip Holdings Ltd (BRN.AX ) is een populaire simulatie van hersennetwerksoftware. Het bedrijf kwam in 2004 op de markt en is gevestigd in Australië. De oprichter, Peter Van Der Made, heeft een cruciale rol gespeeld in het richten van de pioniersinspanningen van het bedrijf op het integreren van geavanceerde kunstmatige intelligentie (AI) en machine learning (ML) om hun resultaten te verbeteren.

Vandaag biedt het bedrijf een verscheidenheid aan producten, waaronder een IoT‑infrastructuur die is gemodelleerd naar het neurale netwerk van de hersenen. Een ander populair product dat BrainChip bekendheid heeft gegeven, is de Akita Development Environment, die ontwikkelaars in staat stelt experimentele neurale netwerken te creëren, trainen en testen.

BrainChip Holdings heeft sinds 2023 enkele nadelen ondervonden. Echter, de nieuwste software van het bedrijf en de ondernemingen in de AI‑ en ML‑sectoren hebben de interesse van investeerders nieuw leven ingeblazen. Daarom wordt BrainChip Holdings Ltd gezien als een bedrijf met sterk groeipotentieel.

2. Biogen

Biogen is een farmaceutisch onderzoeksbedrijf dat recentelijk veel aandacht heeft gekregen op de markt. De in Massachusetts gevestigde fabrikant is gespecialiseerd in de behandeling en zorg van neurologische aandoeningen. Momenteel heeft het producten die helpen bij de behandeling van neurologische, neurodegeneratieve en auto-immuunziekten.
Biogen heeft enige kritiek gekregen voor het versneld doorvoeren van enkele van haar behandelingen, maar dat heeft de opkomst van het bedrijf op de markt niet vertraagd. Hun nieuwste product, Leqembi, kreeg een fast‑track goedkeuring van de FDA en is ontworpen om de ziekte van Alzheimer te behandelen. Het gebruik van dit nieuwste medicijn is het afgelopen jaar bijna verdrievoudigd, wat het bedrijf heeft geholpen een sterkere marktpositie te verwerven. Daarom maakt Biogen’s vroege blootstelling aan de Alzheimer‑behandelingsmarkt en haar combinatie van aanbiedingen het een potentiële sterke aankoop voor handelaren.

Twee-fotonmicroscoop biedt een glimp van de toekomst

De twee-fotonfluorescentiemicroscoop brengt de mensheid een stap dichter bij het kunnen interacteren met de omgeving uitsluitend met gedachten. Dit innovatieve onderzoeksteam heeft de grenzen van neurologisch onderzoek verlegd en heeft ongekende inzichten in menselijke hersenactiviteit verkregen. Dit onderzoek zal ongetwijfeld extra studies voortbrengen die op een dag kunnen leiden tot minder neurologische ziekten en vele andere doorbraken.

Leer meer over andere coole gezondheids projecten nu.