Two-Photon Microscope Nagpapahintulot sa mga Mananaliksik na Subaybayan ang Aktibidad ng Utak nang Real Time

Ang pagsubaybay sa aktibidad ng utak ay naging pangunahing bahagi ng neuroscience mula nang unang lumitaw ang kakayahang ito. Ang utak ng tao ay mas hindi nauunawaan kaysa sa uniberso at mga karagatan. Dahil dito, may malawak na pagsisikap na tuklasin ang mga misteryo na nasa loob ng iyong isipan. Ngayon, maaaring mas malalim na siyasatin ng mga mananaliksik ang mental na aktibidad sa real time gamit ang isang rebolusyonaryong pamamaraan ng two-photon fluorescence microscope. Narito ang kailangan mong malaman.

Ang pag-unawa sa aktibidad ng utak ay mahalaga para sa maraming industriya, kabilang ang paggamot sa mga neurological na sakit tulad ng Alzheimer’s. Ang mga siyentipiko ay naglaan ng malaking pagsisikap upang alamin kung paano nag-uugnayan at nakikipag-ugnayan ang mga neuron sa panahon ng pag-iisip. Ang layunin ng pananaliksik na ito ay ganap na maunawaan ang kumplikadong interaksyon ng mga neural hanggang sa resolusyong selular.

Umaasa ang mga mananaliksik na magamit ang datos na ito upang ilawan ang mga pangunahing tungkulin ng utak na maaaring magdala ng mas pinahusay na pagkatuto, memorya, paggawa ng desisyon, at pangangalagang pangkalusugan. Upang maisakatuparan ito, lumikha sila ng isang advanced na two-photon imaging tool na kayang subaybayan ang mga dinamikong prosesong neural sa real-time, na nagbibigay ng mas malalim na pananaw sa utak habang nag-aaral, gumagawa ng mga gawain, at sa mga kalagayan ng sakit.

Kasalukuyang Mga Pamamaraan ng Pagrehistro ng Aktibidad ng Utak

May ilang pamamaraan ng pagrehistro ng aktibidad ng utak na ginagamit ngayon. Ang mga lapit na ito ay nakatulong sa pag-unlad ng industriya hanggang sa kasalukuyan. Gayunpaman, may ilang mahahalagang kahinaan ang mga ito kabilang ang mas mahabang oras ng pagsubaybay, posibleng pinsala sa pasyente, at mataas na gastos. Ang dalawang pinaka-karaniwang pamamaraan na ginagamit ngayon ay Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) at Electroencephalography (EEG).

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)

Ang Functional Magnetic Resonance Imaging ay isa sa pinaka-advanced na pamamaraan na ginagamit upang subaybayan ang mga brain wave ngayon. Ang hindi-nag-iinvasyong prosesong ito ay nagsasama ng mga magnetic field at radio wave upang lumikha ng 3D na imahe ng mga electromagnetic pulse ng iyong utak. Ang estratehiyang ito ay nagmarka ng malaking pagbuti kumpara sa mga nakaraang opsyon dahil pinahintulutan nito ang mga mananaliksik na mag-zoom in sa isang partikular na hanay ng mga neuron, na lubos na nagpapabuti ng kanilang pangkalahatang pag-unawa sa aktibidad ng utak.

Electroencephalography (EEG)

Isa pang pamamaraan na maaaring nakita mo sa mga pelikula ay ang Electroencephalography. Ang lapit na ito ay sumusukat sa elektrikal na aktibidad ng iyong utak. Kailangan ng mga pasyente na maglagay ng espesyal na sensor sa kanilang anit na sensitibo sa mga elektrikal na kuryente. Ang metodong ito ng pagsubaybay sa brain wave ay ginagamit mula pa noong 1975 nang unang gamitin ito ni Richard Caton upang subaybayan ang mga electrical pulse na natagpuan sa utak ng mga kuneho at unggoy nang matagumpay.

Mula noon, ang pamamaraang ito ng pagrehistro ng aktibidad ng utak ay lubos na umunlad. Noong 1950s, ipinakilala ang unang modernong bersyon ng EEG. Ito ay nagsilbing pangunahing paraan ng pagsubaybay sa brain wave hanggang sa 1980s. Noong 1988, ginamit ito upang payagan ang isang tao na kontrolin ang isang robot at patuloy pa rin itong ginagamit ng maraming mananaliksik.

Pag-aaral

Ang pag-aaral “High-speed two-photon microscopy with adaptive line-excitation” ay inilathala sa Optica na nagbubunyag kung paano makapagbibigay ang two-photon microscopy ng walang kapantay na high-speed na mga imahe ng neural activity. Ang mga larawang ito ay ginawa sa resolusyong selular gamit ang isang espesyal na dinisenyong two-photon fluorescence microscope.

Two-Photon Fluorescence Microscope

Ang Two-Photon fluorescence microscope ay kayang magbigay ng matingkad na mga imahe sa malalim na bahagi ng tisyu ng utak. Upang maisakatuparan ito, naglalagay ang mekanismo ng isang adaptive sampling structure. Ang estrukturang ito ay inuulit sa buong eksperimento upang lumikha ng dinamikong 3D na mga imahe at mapa ng aktibidad ng utak.

Adaptive Sampling Strategy

Sa gitna ng pag-aaral ay ang pagpapakilala ng adaptive sampling strategy. Ang metodong ito ay pumapalit sa tradisyonal na point illumination techniques. Sa halip, isang mas epektibong line illumination strategy ang ginagamit kasabay ng isang na-update na point scanning method na nagbibigay ng mas maraming detalye at kakayahan sa pagsubaybay kumpara sa mga nakaraang pamamaraan.

Point Scanning

Ang point scanning sa mga lumang pamamaraan ay may maraming kulang. Una, ito ay napaka-espesipiko kaya madalas nagiging sanhi ng kawalan ng kakayahang subaybayan ang buong sunod-sunod na neuron sa buong utak. Ang bagong point scanning method ay gumagamit ng binagong line illumination strategy upang tularan ang high-resolution na point scanning methods. Ang estratehiyang ito ay mahalaga sa pagtukoy kung aling mga bahagi ng utak ang kailangang magpatuloy sa susunod na hakbang ng proseso, ang line scanning.

Line Illumination

Ang line illumination ay isang breakthrough para sa mga engineer ng neurology. Ang pamamaraan ay nagpoproyekto ng maliit na linya ng ilaw sa isang sinusuring lugar. Ang lapit na ito ay nagpapasigla ng fluorescence, na nagpapadali sa pagsubaybay ng mga neurological signal sa buong utak mula simula hanggang katapusan. Dagdag pa, pinapayagan ng pamamaraang ito na mas malaking bahagi ng utak ang ma-excite, ma-scan, at ma-map nang real-time.

Two-Photon Microscope Testing

Ang yugto ng pagsubok ng two-photon fluorescence microscope ay kinasasangkutan ng dalawang laboratory mice, kung saan nagawang subaybayan ng mga mananaliksik ang neuronal activity sa cortex ng daga nang real time. Kapansin-pansin, ang unit ay kayang kumuha ng mga signal ng imahe hanggang 198 Hz sa kasalukuyan. Sa pagsubok na ito, sinubaybayan ng mga inhinyero ang calcium signals na maaaring magpahiwatig ng kamakailang neural activity.

Digital Micromirror Device (DMD)

Upang maisakatuparan ito, isang espesyal na naka-configure na pattern ng laser beam ang binubuo gamit ang digital micromirror device (DMD). Ang unit na ito ay naglalaman ng libu-libong microscopic mirrors. Ang bawat isa sa mga salamin ay may indibidwal na kontrol na nagpapahintulot sa kanila na hubugin at itutok ang ilaw sa tiyak na bahagi ng utak. Dagdag pa, maaaring i-set up ang mga salamin upang mag-activate at mag-deactivate batay sa neural activity, na nagbibigay ng mas mahusay na imaging sa lahat ng estado ng utak.

pinagmulan – Molly M Bechtel, University of California, Davis

Two-Photon Fluorescent Microscope Test Results

Ang mga resulta ng pagsubok ay nagbigay ng ilang hindi inaasahang datos na may potensyal na mapabuti ang kasalukuyang mga pamamaraan at baguhin ang industriya. Una, ipinakita ng pag-aaral kung paano nag-aalok ang two-photon fluorescence microscope ng walang kapantay na pananaw sa panloob na pag-andar ng utak. Ang kakayahang lumikha ng high-speed na mga imahe gamit ang short-line excitation at ang adaptive sampling scheme ay nagbubukas ng maraming posibleng gamit sa hinaharap.

Natuklasan ng mga mananaliksik na ang bagong pamamaraan ay nagbigay-daan sa kanila na subaybayan ang mga indibidwal na neuron sa antas na hindi pa kailanman naging posible. Ang bagong datos na ito ay gagamitin upang lumikha ng mga advanced na computational algorithm na balang araw ay makakatulong sa mga neurologist na ihiwalay at mas maunawaan ang paggamit ng mga indibidwal na neuron.

Mga Benepisyo

Nagdadala ang pag-aaral na ito ng mahabang listahan ng mga benepisyo sa merkado. Una, ang ganitong estilo ng brain imaging ay nagpapahintulot sa mga mananaliksik na maunawaan ang functional architecture ng utak sa mga paraang dati ay hindi maisip. Ngayon ay makikita na nila kung paano nag-iinteract at nagkokomunika ang ilang selula ng utak sa mga tiyak na proseso.

Paggamot sa mga Neurological na Sakit

Ang pag-unawang ito ay maaaring maging napakahalaga sa paglaban sa pagtaas ng mga neurological na sakit tulad ng Alzheimer’s at Parkinson’s. Ang parehong karamdaman ay kumukuha ng buhay ng daan-daang libong tao bawat taon. Sa US, humigit-kumulang +120K na tao ang namamatay dahil sa Alzheimer lamang. Sa kasamaang palad, ang bilang na ito ay inaasahang aabot sa 13.8M sa buong mundo pagsapit ng 2060.

Ang pag-unawa kung paano gumagana ang utak sa mga kalagahang ito kumpara sa kapag ito ay malusog ay maaaring magbigay-daan sa mga inhinyero na punan ang puwang na ito at ibalik ang utak sa orihinal nitong operasyon. Sa ngayon, ang datos ay may napakalaking halaga sa pagbubukas ng maraming sikreto na kinakailangan upang gawing realidad ang ganitong uri ng paggamot.

Pagkatuto

Isa pang pangunahing dahilan kung bakit mahalaga ang pagsubaybay sa aktibidad ng utak para sa kinabukasan ng isang bansa ay maaaring magamit ito upang mapabuti ang pagkatuto. Ang pag-unawa kung ano ang nagpapatibay ng memorya o kung paano mas mabilis na maalala ang mga bagay ay ilan lamang sa mga interes na maaaring mapabuti ng ganitong estilo ng pagsubaybay sa utak. Sa hinaharap, ang kurikulum ng paaralan ay maaaring ibatay sa neural retention sa halip na sa maraming pamantayan ngayon.

Mas Mabilis na Mga Imahe

Ang paggamit ng mga lumang pamamaraan upang sukatin ang neurological activity ay epektibo ngunit matrabaho. Hindi rin ito nagbibigay ng sapat na bilis ng mga imahe upang maibigay sa mga mananaliksik ang detalye na kailangan para sa kumplikadong pag-unawa sa mga mental na kilos. Ang bagong metodong ito ay 10 beses na mas mabilis kaysa sa tradisyonal na two-photon microscopy, na nagpapahintulot sa mga mananaliksik na subaybayan at i-monitor ang mga mental na phenomenon na hindi kayang irehistro ng mga lumang sistema.

Mas Kaunting Pinsala

Ang mas mabilis na pagganap ay nangangahulugang mas kaunting exposure sa mga pasyente. Dagdag pa, ang sistema ay nangangailangan ng mas mahina na laser. Sa pamamagitan ng pagbawas ng lakas ng laser at pagpapapaikli ng exposure, mas kaunting enerhiya ang natatanggap ng tisyu ng utak ng pasyente. Ang bagong sistema ay nag-iilaw lamang sa mga neuron na tinutukoy, na nagbabawas ng panganib ng pinsala sa sensitibong tisyu.

Mas Kaunting Gastos

Ang pagbawas ng gastos ay isa pang benepisyo ng bagong lapit. Ayon sa pag-aaral, ang two-photon fluorescence microscope ay nangangailangan ng 10 beses na mas kaunting lakas ng laser kumpara sa tradisyonal na two-photon methods. Ang pagbawas na ito sa lakas ay nagreresulta sa mas mataas na sustainability at mas kaunting epekto sa kapaligiran.

Madaling Palawakin

Isa sa pinakamalaking kalamangan ng bagong teknik ay maaari itong pagsamahin nang walang kahirap-hirap sa iba pang epektibong pamamaraan. Naipahayag na ng mga mananaliksik ang kanilang plano na i-couple ang device sa iba pang proseso tulad ng beam multiplexing at remote focusing. Ang mga teknik na ito ay nagpapataas ng bilis ng imaging at nagbibigay-daan sa paglikha ng volumetric na 3D na mga imahe sa real-time.

Mga Mananaliksik

Ang pag-aaral na ito ay isinagawa sa University of California, Davis, na pinamunuan ni Yunyang Li bilang pangunahing may-akda. Ang koponan ng pananaliksik ay kinabibilangan nina Ben Mattison, Junjie Hu, Kwun Nok Mimi Man, Shu Guo, at Weijian Yang. Ang pondo para sa proyekto ay nagmula sa iba’t ibang pinagmumulan, kabilang ang Burroughs Wellcome Fund, National Science Foundation, National Institute of Neurological Disorders and Stroke, at National Eye Institute.

Dalawang Kumpanya na Maaaring Kumita Mula sa Pananaliksik na Ito

1. BrainChip Holdings Ltd

Ang BrainChip Holdings Ltd ay isang kilalang brain network software simulator. Ang kumpanya ay pumasok sa merkado noong 2004 at nakabase sa Australia. Ang tagapagtatag nito, si Peter Van Der Made, ay naging mahalaga sa pagpapanatili ng mga pioneering na pagsisikap ng kumpanya na nakatuon sa pagsasama ng advanced na artificial intelligence (AI) at machine learning (ML) upang mapabuti ang kanilang mga resulta.

Sa kasalukuyan, nag-aalok ang kumpanya ng iba’t ibang produkto, kabilang ang isang IoT infrastructure na ginawang modelo batay sa neural network ng utak. Isa pang kilalang produkto na nakatulong sa BrainChip na makilala ay ang Akita Development Environment, na nagpapahintulot sa mga developer na lumikha, magsanay, at subukan ang mga experimental neural networks.

Ang BrainChip Holdings ay nakaranas ng ilang kahinaan mula noong 2023. Gayunpaman, ang pinakabagong software ng kumpanya at mga pagsusumikap sa mga sektor ng AI at ML ay muling nagpasigla ng interes ng mga mamumuhunan. Dahil dito, itinuturing ang BrainChip Holdings Ltd na may malakas na potensyal na pag-angat.

2. Biogen

Ang Biogen ay isang pharmaceutical research firm na kamakailan lamang ay nagpasiklab sa merkado. Ang manufacturer na nakabase sa Massachusetts ay dalubhasa sa paggamot at pangangalaga ng mga neurological na sakit. Sa kasalukuyan, mayroon itong mga produkto na tumutulong sa paggamot ng mga neurological, neurodegenerative, at autoimmune na sakit.

Ang Biogen ay nakaranas ng ilang kritisismo dahil sa mabilis na paglabas ng ilan sa mga paggamot nito, ngunit hindi ito nakapagpabagal sa pag-angat ng kumpanya sa merkado. Ang kanilang pinakabagong produkto, Leqembi, ay inaprubahan ng FDA sa fast-track at dinisenyo upang gamutin ang Alzheimer’s disease. Nakita ng kumpanya na halos triple ang paggamit ng kanilang pinakabagong gamot sa nakaraang taon, na nagpatibay sa posisyon ng kumpanya sa merkado. Dahil dito, ang maagang pagpasok ng Biogen sa merkado ng paggamot sa Alzheimer’s at ang kombinasyon ng kanilang mga alok ay ginagawa itong potensyal na matibay na pamumuhunan para sa mga mangangalakal.

Two-Photon Microscope Nagbibigay ng Sulyap sa Hinaharap

Ang Two-Photon fluorescence microscope ay nagdadala sa sangkatauhan ng isang hakbang palapit sa kakayahang makipag-ugnayan sa kapaligiran gamit lamang ang pag-iisip. Ang makabagong pangkat ng pananaliksik na ito ay itinulak ang mga hangganan ng neurological research at nagbigay ng hindi pa kailanman nakita na pananaw sa aktibidad ng utak ng tao. Ang pananaliksik na ito ay tiyak na magbubunga ng karagdagang pag-aaral na maaaring magdala balang araw ng mas kaunting neurological na sakit at marami pang iba pang pag-unlad.

Alamin ang iba pang kahanga-hangang proyekto ngayon.