To-foton mikroskop gjør det mulig for forskere å overvåke hjerneaktivitet i sanntid

Overvåking av hjerneaktivitet har vært en kjernekomponent i nevrovitenskap siden evnen først dukket opp. Den menneskelige hjernen er mindre forstått enn universet og havene. Derfor er det en massiv innsats for å avdekke mysteriene som ligger i sinnet ditt. Nå kan forskere gå dypere inn i mental aktivitet i sanntid ved hjelp av en revolusjonerende to-foton fluorescensmikroskopmetode. Her er det du trenger å vite.

Forståelse av hjerneaktivitet er avgjørende for mange sektorer, inkludert behandling av nevrologiske sykdommer som Alzheimers. Forskere har brukt betydelig innsats på å avdekke hvordan nevroner kommuniserer og samhandler under tankeprosesser. Målet med denne forskningen er å fullt ut forstå komplekse nevrale interaksjoner ned til cellulær oppløsning.

Forskere håper å bruke disse dataene til å kaste lys over grunnleggende hjernefunksjoner som en dag kan føre til forbedret læring, hukommelse, beslutningstaking og helsetjenester. For å oppnå dette har de laget et avansert to-foton bildverktøy som kan spore dynamiske nevrale prosesser i sanntid, og gir dypere innsikt i hjernen under læring, aktiviteter og sykdomstilstander.

Current Methods of Registering Brain Activity

Det finnes flere metoder for å registrere hjerneaktivitet i bruk i dag. Disse tilnærmingene har hjulpet industrien å utvikle seg frem til nå. Imidlertid har de betydelige ulemper, blant annet at de tar mer tid å overvåke aktivitet, kan være skadelige for pasienten, og er kostnadsprohibitive. De to mest vanlige metodene i dag er funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) og elektroencefalografi (EEG).

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)

Funksjonell magnetisk resonansavbildning er en av de mest avanserte metodene som brukes til å overvåke hjerneaktivitet i dag. Denne ikke-invasive prosedyren integrerer magnetfelt og radiobølger for å skape et 3D-bilde av hjernens elektromagnetiske pulser. Denne strategien representerte en betydelig forbedring i forhold til tidligere alternativer, da den tillot forskere å zoome inn på et bestemt sett av nevroner, og dermed forbedret deres overordnede forståelse av hjerneaktivitet betydelig.

Electroencephalography (EEG)

En annen metode du kanskje har sett i filmer er elektroencefalografi. Denne tilnærmingen måler hjernens elektriske aktivitet. Pasienter må plassere spesielle sensorer på hodebunnen som er følsomme for elektriske strømmer. Denne metoden for sporing av hjernebølger har blitt brukt siden 1975 da Richard Caton først brukte den til å spore de elektriske pulser som finnes i kaniners og apehjerner med suksess.

Siden da har denne metoden for registrering av hjerneaktivitet forbedret seg betydelig. På 1950-tallet ble den første moderne iterasjonen av EEG introdusert. Den fungerte trofast som den primære metoden for sporing av hjernebølger frem til 1980-tallet. I 1988 ble den brukt til å la en person kontrollere en robot, og den brukes fortsatt av mange forskere.

Study

The study “High-speed two-photon microscopy with adaptive line-excitation” ble publisert i Optica og avslører hvordan to-foton mikroskopi kan levere uovertrufne høyhastighetsbilder av nevral aktivitet. Disse bildene ble tatt med cellulær oppløsning ved hjelp av et spesialbygd to-foton fluorescensmikroskop.

Two-Photon Fluorescence Microscope

To-foton fluorescensmikroskopet er i stand til å levere levende bilder dypt inn i hjernevevet. For å oppnå dette introduserer mekanismen en adaptiv prøvetakingsstruktur. Denne strukturen gjentas gjennom eksperimentet for å skape dynamiske 3D-bilder og kart over hjerneaktivitet.

Adaptive Sampling Strategy

Kjernen i studien er innføringen av den adaptive prøvetakingsstrategien. Denne metoden erstatter tradisjonelle punktbelysningsteknikker. I stedet benyttes en mer effektiv linjebelysningsstrategi sammen med en oppdatert punkt-skanningsmetode som gir langt mer detaljer og overvåkingsmuligheter sammenlignet med tidligere metoder.

Point Scanning

Punkt-skanning i gamle metoder etterlot mye å ønske. For det første var den ekstremt spesifikk, noe som ofte førte til manglende evne til å spore en hel nevronsekvens gjennom hjernen. Den nye punkt-skanningsmetoden bruker en endret linjebelysningsstrategi for å etterligne høyoppløselige punkt-skanningsmetoder. Denne strategien er avgjørende for å identifisere hvilke områder av hjernen som må gå videre til neste trinn i prosessen, linje-skanning.

Line Illumination

Linje-belysning er et gjennombrudd for nevrologiingeniører. Metoden projiserer en liten lyslinje over et prøvetatt område. Denne tilnærmingen eksiterer fluorescens, noe som gjør det lettere å spore nevrologiske signaler gjennom hjernen fra start til slutt. I tillegg gjør denne tilnærmingen det mulig å eksitere, skanne og kartlegge et mye større område av hjernen i sanntid.

Two-Photon Microscope Testing

Testfasen av to-foton fluorescensmikroskopet involverte to laboratoriemus, hvor forskerne kunne spore nevronaktivitet i en musekorteks i sanntid. Merkverdig kan enheten nå fange bildesignaler opptil 198 Hz. I denne testen sporet ingeniørene kalsiumsignaler som kan indikere nylig nevralt aktivitet.

Digital Micromirror Device (DMD)

For å oppnå dette dannes et spesielt konfigurert laserstrålemønster ved hjelp av en digital micromirror-enhet (DMD). Denne enheten inneholder tusenvis av mikroskopiske speil. Hvert av disse speilene har individuelle kontroller som gjør dem i stand til å forme og rette lys mot presise deler av hjernen. I tillegg kan speilene settes opp til å aktivere og deaktivere basert på nevralt aktivitet, noe som gir bedre bildedannelse i alle hjerne-tilstander.

kilde – Molly M Bechtel, University of California, Davis

Two-Photon Fluorescent Microscope Test Results

Testresultatene har gitt noen uventede data som har potensial til å forbedre de nåværende metodene og ryste opp i industrien. For det første avdekket studien hvordan to-foton fluorescensmikroskopet gir uovertruffen innsikt i hjernens indre funksjoner. Evnen til å lage høyhastighetsbilder ved bruk av kortlinje-eksitasjon og den adaptive prøvetakingsordningen åpner døren for mange potensielle fremtidige bruksområder.

Forskerne fant at den nye metoden gjorde dem i stand til å overvåke individuelle nevroner på et nivå som aldri før var mulig. Disse nye dataene vil bidra til å lage avanserte beregningsalgoritmer som en dag vil hjelpe nevrologer med å isolere og bedre forstå bruken av individuelle nevroner.

Benefits

Denne studien bringer en lang liste med fordeler til markedet. For det første gjør denne typen hjerneavbildning det mulig for forskere å forstå den funksjonelle arkitekturen i hjernen på måter som tidligere var utenkelige. De kan nå se hvordan bestemte hjerneceller interagerer og kommuniserer under spesifikke prosesser.

Treating Neurological Diseases

Denne forståelsen kan vise seg å være avgjørende i kampen mot økningen av nevrologiske sykdommer som Alzheimers og Parkinsons. Begge disse lidelsene tar livet av hundretusener av mennesker hvert år. I USA dør omtrent +120 000 personer kun av Alzheimers. Dessverre vil dette tallet øke til 13,8 millioner globalt innen 2060.

Å forstå hvordan hjernen fungerer i disse tilstandene versus når den er frisk, kan gjøre det mulig for ingeniører å bygge bro over dette gapet og bringe hjernen tilbake til sin opprinnelige funksjon. Foreløpig har dataene enorm verdi for å låse opp de mange hemmelighetene som trengs for å gjøre denne typen behandling til virkelighet.

Learning

En annen viktig grunn til at overvåking av hjerneaktivitet er avgjørende for en nasjons fremtid, er at den kan brukes til å forbedre læring. Å forstå hva som gjør at et minne sitter eller hvordan man kan hente frem elementer raskere er bare noen få interesseområder som denne typen hjerneovervåking kan forbedre. I fremtiden kan skolepensum baseres på nevrale lagringsprosesser i stedet for dagens mange standarder.

Images Faster

Å bruke de gamle metodene for å måle nevrologisk aktivitet var effektivt, men tidkrevende. De ga heller ikke bilder raskt nok til å gi forskerne detaljene som trengs for en kompleks forståelse av mentale handlinger. Denne nye metoden er 10 ganger raskere enn tradisjonell to-foton mikroskopi, og gjør det mulig for forskere å overvåke og spore mentale fenomener som eldre systemer ikke kunne registrere.

Less Harm

Den raskere ytelsen betyr mindre eksponering for pasientene. I tillegg krever systemet mindre kraftige lasere. Ved å redusere laserens kraft og forkorte eksponeringen får pasientene langt mindre energiradiasjon på hjernevevet. Det nye systemet belyser kun de aktuelle nevronene, noe som reduserer risikoen for skade på sensitivt vev.

Less Costs

Kostnadsreduksjon er en annen fordel den nye tilnærmingen har. Ifølge studien krever to-foton fluorescensmikroskopet 10 ganger mindre laserkraft sammenlignet med tradisjonelle to-foton metoder. Denne reduksjonen i kraft gir mer bærekraft og mindre miljøpåvirkning.

Expandable

En av de største fordelene med den nye teknikken er at den kan kombineres med andre effektive metoder sømløst. Forskerne har allerede uttalt planer om å koble enheten med andre prosedyrer som stråle-multiplexing og fjernfokusering. Disse teknikkene øker bildingshastigheten og gjør det mulig å lage volumetriske 3D-bilder i sanntid.

Researchers

Denne studien ble utført ved University of California, Davis, med Yunyang Li som hovedforfatter. Forskningsgruppen inkluderte Ben Mattison, Junjie Hu, Kwun Nok Mimi Man, Shu Guo og Weijian Yang. Finansiering til prosjektet kom fra ulike kilder, inkludert Burroughs Wellcome Fund, National Science Foundation, National Institute of Neurological Disorders and Stroke, og National Eye Institute.

Two Companies That can Prosper from this Research

Mange produsenter kan integrere denne teknologien i sine produkter for å tilby et høyere servicenivå til markedet. Fra selskaper som ønsker å lindre demens til robotikkfirmaer, finnes det utallige grunner til at det gir mening å utnytte hjerneaktivitet og forståelse. Her er to firmaer som er posisjonert til å ta i bruk denne teknologien i de kommende månedene.

1. BrainChip Holdings Ltd

ASX Prisdiagram

BrainChip Holdings Ltd (BRN.AX ) er en populær simulator for hjerne-nettverksprogramvare. Selskapet gikk inn i markedet i 2004 og har base i Australia. Grunnleggeren, Peter Van Der Made, har vært avgjørende for å holde firmaets banebrytende innsats fokusert på å integrere avansert kunstig intelligens (AI) og maskinlæring (ML) for å forbedre resultatene deres.

I dag tilbyr firmaet en rekke produkter, inkludert en IoT-infrastruktur modellert etter hjernens nevrale nettverk. Et annet populært produkt som har hjulpet BrainChip med å oppnå anerkjennelse er Akita Development Environment, som lar utviklere lage, trene og teste eksperimentelle nevrale nettverk.

BrainChip Holdings har opplevd noen ulemper siden 2023. Imidlertid har selskapets nyeste programvare og satsinger innen AI- og ML-sektorene gjenopplivet investorinteressen. Derfor blir BrainChip Holdings Ltd sett på som å ha sterk oppsidepotensial.

2. Biogen

BIIB Prisdiagram

Biogen er et farmasøytisk forskningsfirma som nylig har gjort seg bemerket i markedet. Den Massachusetts-baserte produsenten spesialiserer seg på behandling og pleie av nevrologiske sykdommer. For øyeblikket har de produkter som hjelper med å behandle nevrologiske, neurodegenerative og autoimmune sykdommer.

Biogen har fått kritikk for å ha fremskyndet noen av sine behandlinger, men det har ikke bremset selskapets fremvekst i markedet. Deres siste lansering, Leqembi, ble godkjent av FDA gjennom en hurtigspor og er designet for å behandle Alzheimers sykdom. Selskapet har sett bruken av sitt nyeste legemiddel nesten tredoble seg det siste året, noe som har hjulpet firmaet med å sikre en sterkere markedsposisjon. Derfor gjør Biogens tidlige eksponering mot Alzheimers-behandlingsmarkedet og deres kombinasjon av tilbud dem til et potensielt sterkt kjøp for tradere.

Two-Photon Microscope Provides a Glimpse Into the Future

To-foton fluorescensmikroskopet bringer menneskeheten ett skritt nærmere å kunne samhandle med omgivelsene kun ved hjelp av tanker. Dette innovative forskningsteamet har presset grensene for nevrologisk forskning og har oppnådd en aldri før sett innsikt i menneskelig hjerneaktivitet. Denne forskningen vil helt sikkert generere flere studier som en dag kan føre til færre nevrologiske sykdommer og mange andre fremskritt.

Lær om andre kule helse prosjekter nå.