Tvåfotonmikroskop möjliggör för forskare att övervaka hjärnaktivitet i realtid

Att övervaka hjärnaktivitet har varit en central komponent inom neurovetenskap sedan möjligheten först uppstod. Den mänskliga hjärnan är mindre förstådd än universum och haven. Därför pågår en massiv insats för att lösa de gåtor som ligger i ditt sinne. Nu kan forskare fördjupa sig i mental aktivitet i realtid med en revolutionerande tvåfotonfluorescensmikroskopimetod. Här är vad du behöver veta.

Att förstå hjärnaktivitet är avgörande för många industrier, inklusive behandling av neurologiska sjukdomar som Alzheimers. Forskare har lagt ner betydande ansträngningar på att reda ut hur neuroner kommunicerar och interagerar under tankar. Målet med denna forskning är att fullt ut förstå komplexa neurala interaktioner ner till cellulär upplösning.

Forskare hoppas använda dessa data för att belysa grundläggande hjärnfunktioner som en dag kan leda till förbättrat lärande, minne, beslutsfattande och sjukvård. För att uppnå detta skapade de ett avancerat tvåfotonavbildningsverktyg som kan spåra dynamiska neurala processer i realtid, vilket möjliggör djupare insikt i hjärnan under lärande, aktiviteter och sjukdomstillstånd.

Nuvarande metoder för att registrera hjärnaktivitet

Det finns flera metoder för att registrera hjärnaktivitet som används idag. Dessa tillvägagångssätt har hjälpt industrin att utvecklas fram till idag. De har dock vissa betydande nackdelar, inklusive att de tar mer tid att övervaka aktivitet, kan vara skadliga för patienten och är kostnadskrävande. De två vanligaste metoderna som används idag är funktionell magnetresonanstomografi (fMRI) och elektroencefalografi (EEG).

Funktionell magnetresonanstomografi (fMRI)

Funktionell magnetresonanstomografi är en av de mest avancerade metoderna för att övervaka hjärnvågor idag. Denna icke-invasiva procedur integrerar magnetfält och radiovågor för att skapa en 3D-bild av hjärnans elektromagnetiska pulser. Denna strategi markerade en stor förbättring jämfört med tidigare alternativ eftersom den gjorde det möjligt för forskare att zooma in på en specifik uppsättning neuroner, vilket kraftigt förbättrade deras övergripande förståelse av hjärnaktivitet.

Elektroencefalografi (EEG)

En annan metod som du kanske har sett i filmer är elektroencefalografi. Detta tillvägagångssätt mäter hjärnans elektriska aktivitet. Patienter måste placera speciella sensorer på hårbotten som är känsliga för elektriska strömmar. Denna metod för att spåra hjärnvågor har använts sedan 1975 när Richard Caton först använde den för att spåra de elektriska pulser som finns i kaniners och apors hjärnor med framgång.

Sedan dess har denna metod för att registrera hjärnaktivitet förbättrats avsevärt. På 1950-talet introducerades den första moderna iterationen av EEG. Den tjänstgjorde troget som den primära metoden för att spåra hjärnvågor fram till 1980-talet. År 1988 användes den för att möjliggöra att en person kunde styra en robot och den används fortfarande av många forskare.

Studie

Högfrekvent tvåfotonmikroskopi med adaptiv linjeexitation publicerades i Optica och avslöjade hur tvåfotonmikroskopi kan leverera oöverträffade högfrekventa bilder av neural aktivitet. Dessa bilder togs med cellulär upplösning med hjälp av ett specialbyggt tvåfotonfluorescensmikroskop.

Tvåfotonfluorescensmikroskop

Tvåfotonfluorescensmikroskopet kan leverera livfulla bilder djupt i hjärnvävnad. För att uppnå detta inför mekanismen en adaptiv samplingsstruktur. Denna struktur upprepas under hela experimentet för att skapa dynamiska 3D-bilder och kartor över hjärnaktivitet.

Adaptiv samplingsstrategi

I centrum av studien ligger införandet av den adaptiva samplingsstrategin. Denna metod ersätter traditionella punktbelysningstekniker. Istället används en mer effektiv linjebelysningsstrategi tillsammans med en uppdaterad punktavläsningsmetod som ger mycket mer detaljer och övervakningsmöjligheter jämfört med tidigare metoder.

Punktavläsning

Punktavläsning i gamla metoder lämnade mycket att önska. För det första var den extremt specifik, vilket ofta ledde till oförmåga att spåra en hel neuronsekvens över hjärnan. Den nya punktavläsningsmetoden använder en förändrad linjebelysningsstrategi för att efterlikna högupplösta punktavläsningsmetoder. Denna strategi är avgörande för att identifiera vilka områden i hjärnan som behöver gå vidare till nästa steg i processen, linjeavläsning.

Linjebelysning

Linjebelysning är ett genombrott för neuroingenjörer. Metoden projicerar en liten ljuslinje över ett provtagningsområde. Detta tillvägagångssätt exciterar fluorescens, vilket gör det enklare att spåra neurologiska signaler över hjärnan från början till slut. Dessutom möjliggör detta tillvägagångssätt att ett mycket större område av hjärnan kan exciteras, skannas och kartläggas i realtid.

Tvåfotonmikroskoptestning

Testfasen för tvåfotonfluorescensmikroskopet involverade två laboratoriemöss, där forskarna kunde spåra neuronal aktivitet i en muskortex i realtid. Noterbart kan enheten för närvarande fånga bildsignaler upp till 198 Hz. I detta test spårade ingenjörerna kalciumsignaler som kan indikera nylig neural aktivitet.

Digital Micromirror Device (DMD)

För att uppnå detta bildas ett speciellt konfigurerat laserstråle-mönster med hjälp av en digital micromirror-enhet (DMD). Denna enhet innehåller tusentals mikroskopiska speglar. Varje spegel har individuella kontroller som gör att de kan forma och rikta ljus mot specifika delar av hjärnan. Dessutom kan speglarna ställas in för att aktiveras och deaktiveras baserat på neural aktivitet, vilket möjliggör bättre avbildning i alla hjärntillstånd.

källa – Molly M Bechtel, University of California, Davis

Resultat från tvåfotonfluorescensmikroskop

Testresultaten har gett oväntade data som har potential att förbättra de nuvarande metoderna och omkullkasta branschen. För det första avslöjade studien hur tvåfotonfluorescensmikroskopet erbjuder oöverträffad insikt i hjärnans inre funktioner. Förmågan att skapa högfrekventa bilder med kortlinjeexitation och den adaptiva samplingsschemat öppnar dörren för många potentiella framtida användningsområden.

Forskarna fann att den nya metoden gjorde det möjligt att övervaka enskilda neuroner på en nivå som aldrig tidigare varit möjlig. Dessa nya data kommer att användas för att skapa avancerade beräkningsalgoritmer som en dag kan hjälpa neurologer att isolera och bättre förstå användningen av enskilda neuroner.

Fördelar

Denna studie ger en lång lista med fördelar till marknaden. För det första gör denna typ av hjärnavbildning det möjligt för forskare att förstå hjärnans funktionella arkitektur på sätt som tidigare var otänkbara. De kan nu se hur vissa hjärnceller interagerar och kommunicerar under specifika processer.

Behandling av neurologiska sjukdomar

Denna förståelse kan bli avgörande i kampen mot ökningen av neurologiska sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons. Båda dessa sjukdomar tar livet av hundratusentals människor varje år. I USA dör ungefär +120 000 personer enbart av Alzheimers. Tyvärr förväntas detta tal stiga till 13,8 miljoner globalt år 2060.

Att förstå hur hjärnan fungerar i dessa tillstånd jämfört med när den är frisk kan låta ingenjörer överbrygga detta gap och återställa hjärnan till dess ursprungliga funktion. För närvarande har data ett enormt värde för att låsa upp de många hemligheter som behövs för att göra denna typ av behandling till verklighet.

Lärande

En annan viktig anledning till att övervakning av hjärnaktivitet är avgörande för ett lands framtid är att den kan användas för att förbättra lärande. Att förstå vad som får ett minne att bestå eller hur man återkallar föremål snabbare är bara några intresseområden som denna typ av hjärnövervakning kan förbättra. I framtiden kan skolans läroplaner baseras på neural retention snarare än dagens många standarder.

Snabbare bilder

Att använda de gamla metoderna för att mäta neurologisk aktivitet var effektivt men tidskrävande. De gav inte heller tillräckligt snabba bilder för att ge forskarna de detaljer som behövs för en komplex förståelse av mentala handlingar. Denna nya metod är 10 gånger snabbare än traditionell tvåfotonmikroskopi, vilket möjliggör för forskare att övervaka och spåra mentala fenomen som äldre system inte kunde registrera.

Mindre skada

Den snabbare prestandan innebär mindre exponering för patienterna. Dessutom kräver systemet mindre kraftfulla laserstrålar. Genom att minska laserstyrkan och förkorta exponeringen får patienterna betydligt mindre energiradiation som deponeras i deras hjärnvävnad. Det nya systemet belyser endast de aktuella neuronerna, vilket minskar risken för skada på känslig vävnad.

Lägre kostnader

Kostnadsreduktion är en annan fördel som den nya metoden har. Enligt studien kräver tvåfotonfluorescensmikroskopet 10 gånger mindre laserkraft jämfört med traditionella tvåfotonmetoder. Denna minskning av kraft innebär större hållbarhet och mindre miljöpåverkan.

Expanderbar

En av de största fördelarna med den nya tekniken är att den kan kombineras med andra effektiva metoder sömlöst. Forskarna har redan planerat att koppla enheten med andra procedurer som stråle-multiplexing och fjärrfokusering. Dessa tekniker ökar avbildningshastigheten och möjliggör skapandet av volymetriska 3D-bilder i realtid.

Forskare

Denna studie genomfördes vid University of California, Davis, med Yunyang Li som huvudförfattare. Forskningsteamet inkluderade Ben Mattison, Junjie Hu, Kwun Nok Mimi Man, Shu Guo och Weijian Yang. Finansieringen för projektet kom från olika källor, inklusive Burroughs Wellcome Fund, National Science Foundation, National Institute of Neurological Disorders and Stroke samt National Eye Institute.

Två företag som kan dra nytta av denna forskning

Många tillverkare kan integrera denna teknik i sina erbjudanden för att ge en högre servicenivå till marknaden. Från företag som vill lindra demens till robotikföretag finns det oändligt många skäl till att utnyttja hjärnans aktivitet och förståelse. Här är två företag som är positionerade att anta denna teknik under de kommande månaderna.

1. BrainChip Holdings Ltd

BrainChip Holdings Ltd (BRN.AX ) är en populär simulering av hjärnnätverk. Företaget gick in på marknaden 2004 och är baserat i Australien. Dess grundare, Peter Van Der Made, har varit avgörande för att hålla företagets banbrytande arbete fokuserat på att integrera avancerad artificiell intelligens (AI) och maskininlärning (ML) för att förbättra deras resultat.

Idag erbjuder företaget en rad produkter, inklusive en IoT-infrastruktur modellerad efter hjärnans neurala nätverk. En annan populär produkt som har hjälpt BrainChip att vinna anseende är Akita Development Environment, som låter utvecklare skapa, träna och testa experimentella neurala nätverk.

BrainChip Holdings har sett vissa nackdelar sedan 2023. Dock har företagets senaste mjukvara och satsningar inom AI- och ML-sektorerna återuppväckt investerarnas intresse. Därför ses BrainChip Holdings Ltd som ett företag med stark uppåtriktad potential.

2. Biogen

Biogen är ett läkemedelsforskningsföretag som nyligen har gjort avtryck på marknaden. Den Massachusetts-baserade tillverkaren specialiserar sig på behandling och vård av neurologiska sjukdomar. För närvarande har de produkter som hjälper till att behandla neurologiska, neurodegenerativa och autoimmuna sjukdomar.

Biogen har fått viss kritik för att ha snabbutvecklat vissa av sina behandlingar, men det har inte bromsat företagets framgång på marknaden. Deras senaste produkt, Leqembi, godkändes av FDA via fast-track och är avsedd att behandla Alzheimers sjukdom. Företaget har sett användningen av deras senaste läkemedel nästan tredubbla under det senaste året, vilket har hjälpt dem att stärka sin marknadsposition. Därför gör Biogens tidiga exponering för Alzheimers-behandlingsmarknaden och deras kombination av erbjudanden dem till ett potentiellt starkt köp för handlare.

Tvåfotonmikroskop ger en glimt in i framtiden

Tvåfotonfluorescensmikroskopet tar mänskligheten ett steg närmare att kunna interagera med sin omgivning enbart med tankar. Detta innovativa forskningsteam har drivit gränserna för neurologisk forskning och har frambringat en aldrig tidigare skådad insikt i mänsklig hjärnaktivitet. Denna forskning kommer säkert att generera ytterligare studier som en dag kan leda till färre neurologiska sjukdomar och många andra framsteg.

Lär dig om andra hälsoprojekt nu.