İki-Foton Mikroskopu Araştırmacıların Beyin Aktivitesini Gerçek Zamanlı İzlemelerini Sağlıyor

Beyin aktivitesini izlemek, yetenek ilk ortaya çıktığından beri sinirbilimin temel bir bileşeni olmuştur. İnsan beyni, evren ve okyanuslardan daha az anlaşılmıştır. Bu nedenle, zihninizdeki gizemleri çözmek için büyük bir çaba harcanmaktadır. Şimdi, araştırmacılar devrim niteliğindeki iki-foton floresan mikroskop yöntemiyle gerçek zamanlı olarak zihinsel aktiviteye daha derinlemesine dalabiliyorlar. İşte bilmeniz gerekenler.

Beyin aktivitesini anlamak, Alzheimer gibi nörolojik hastalıkların tedavisi dahil birçok sektör için hayati öneme sahiptir. Bilim insanları, düşünce sırasında nöronların nasıl iletişim kurduğunu ve etkileştiğini çözmek için büyük çaba harcamışlardır. Bu araştırmanın amacı, karmaşık sinirsel etkileşimleri hücresel çözünürlüğe kadar tam olarak anlamaktır.

Araştırmacılar, bu verileri temel beyin fonksiyonlarını aydınlatmak için kullanmayı umuyorlar; bu da bir gün öğrenme, hafıza, karar verme ve sağlık hizmetlerinde iyileşmelere yol açabilir. Bu görevi başarmak için, dinamik sinirsel süreçleri gerçek zamanlı olarak izleyebilen gelişmiş bir iki-foton görüntüleme aracı geliştirdiler; bu sayede öğrenme, aktiviteler ve hastalık durumları sırasında beyne daha derin bir bakış sağlanıyor.

Beyin Aktivitesini Kaydetmenin Mevcut Yöntemleri

Bugün kullanılan beyin aktivitesini kaydetmenin çeşitli yöntemleri vardır. Bu yaklaşımlar, sektörün bu güne kadar gelişmesine yardımcı olmuştur. Ancak, daha fazla zaman alması, hastaya zarar verebilmesi ve maliyet açısından yüksek olması gibi önemli dezavantajları da bulunmaktadır. Günümüzde en yaygın iki yöntem Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme (fMRI) ve Elektroensefalografi (EEG)’dir.

Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme (fMRI)

Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme, bugün beyin dalgalarını izlemek için kullanılan en gelişmiş yöntemlerden biridir. Bu invazif olmayan prosedür, manyetik alanları ve radyo dalgalarını birleştirerek beyninizin elektromanyetik darbelerinin 3B görüntüsünü oluşturur. Bu strateji, araştırmacıların belirli bir nöron grubuna odaklanmasını sağlayarak beyin aktivitesine dair genel anlayışı büyük ölçüde geliştirdiği için önceki seçeneklere göre büyük bir iyileşme sağlamıştır.

Elektroensefalografi (EEG)

Filmlerde gördüğünüz bir diğer yöntem Elektroensefalografidir. Bu yaklaşım, beyninizin elektriksel aktivitesini ölçer. Hastaların, elektrik akımlarına duyarlı özel sensörleri saç derilerine yerleştirmeleri gerekir. Beyin dalgalarını izleme yöntemi, Richard Caton’un 1975’te tavşan ve maymun beyinlerindeki elektriksel darbeleri başarıyla izlediği zamandan beri kullanılmaktadır.

O zamandan beri, bu beyin aktivitesi kaydetme yöntemi önemli ölçüde gelişti. 1950’lerde, EEG’nin ilk modern sürümü tanıtıldı. Bu yöntem, 1980’lere kadar beyin dalgalarını izlemek için birincil yöntem olarak güvenilir bir şekilde hizmet verdi. 1988’de, bir kişinin bir robotu kontrol etmesi sağlandı ve hâlâ birçok araştırmacı tarafından kullanılmaktadır.

Çalışma

“Uyarlanabilir hat-uyarımlı yüksek hızlı iki-foton mikroskopisi” başlıklı çalışma Optica dergisinde yayınlandı ve iki-foton mikroskopisinin sinirsel aktivitenin eşsiz yüksek hızlı görüntülerini nasıl sağlayabildiğini ortaya koydu. Bu fotoğraflar, amaca yönelik olarak inşa edilmiş bir iki-foton floresan mikroskopu kullanılarak hücresel çözünürlükte elde edildi.

İki-Foton Floresan Mikroskop

İki-Foton floresan mikroskop, beyin dokusunun derinliklerine canlı görüntüler sağlayabilir. Bu görevi başarmak için mekanizma, uyarlanabilir bir örnekleme yapısı tanıtır. Bu yapı, deney boyunca tekrarlanarak dinamik 3B görüntüler ve beyin aktivitesi haritaları oluşturur.

Uyarlanabilir Örnekleme Stratejisi

Çalışmanın merkezinde uyarlanabilir örnekleme stratejisinin tanıtılması yer alır. Bu yöntem, geleneksel nokta aydınlatma tekniklerini değiştirir. Bunun yerine, geçmiş yöntemlere kıyasla çok daha fazla detay ve izleme yeteneği sağlayan güncellenmiş bir nokta tarama yöntemiyle birlikte daha etkili bir çizgi aydınlatma stratejisi kullanılır.

Nokta Tarama

Eski yöntemlerde nokta tarama pek tatmin edici değildi. Birincisi, son derece spesifik olması, beynin tüm nöron dizisini izleyememeye yol açıyordu. Yeni nokta tarama yöntemi, yüksek çözünürlüklü nokta tarama yöntemlerini taklit etmek için değiştirilmiş bir çizgi aydınlatma stratejisi kullanır. Bu strateji, beyin bölgelerinin sürecin bir sonraki adımı olan çizgi taramaya geçmesi gerektiğini belirlemede kritik öneme sahiptir.

Çizgi Aydınlatma

Çizgi aydınlatma, nöroloji mühendisleri için bir atılımdır. Yöntem, örneklenen alana küçük bir ışık çizgisi yansıtır. Bu yaklaşım, floresansı uyararak beyin boyunca sinirsel sinyalleri baştan sona izlemeyi kolaylaştırır. Ayrıca, bu yöntem beyin yüzeyinin çok daha geniş bir alanının aynı anda uyarılmasını, taranmasını ve gerçek zamanlı olarak haritalanmasını sağlar.

İki-Foton Mikroskop Testi

İki-foton floresan mikroskopunun test aşaması, iki laboratuvar faresi içeriyordu; araştırmacılar fare korteksindeki nöronal aktiviteyi gerçek zamanlı olarak izleyebildiler. Özellikle, birim şu anda 198 Hz’e kadar görüntü sinyallerini yakalayabiliyor. Bu testte mühendisler, yakın zamanda gerçekleşen nöral aktiviteyi gösteren kalsiyum sinyallerini izledi.

Dijital Mikroyansör Cihazı (DMD)

Bu görevi başarmak için, dijital mikroyansör cihazı (DMD) kullanılarak özel olarak yapılandırılmış bir lazer ışını deseni oluşturulur. Bu birim, binlerce mikroskobik aynayı içerir. Bu aynaların her biri, ışığı beynin belirli bölgelerine şekillendirmek ve yönlendirmek için bireysel kontrol mekanizmalarına sahiptir. Ayrıca, aynalar sinirsel aktiviteye göre aktif ya da pasif hâle getirilebilecek şekilde ayarlanabilir, bu da tüm beyin durumlarında daha iyi görüntüleme sağlar.

kaynak – Molly M Bechtel, University of California, Davis

İki-Foton Floresan Mikroskop Test Sonuçları

Test sonuçları, mevcut yöntemleri geliştirme ve sektörü altüst etme potansiyeline sahip beklenmedik veriler ortaya koydu. Öncelikle, çalışma iki-foton floresan mikroskopunun beyin iç işleyişine eşsiz bir içgörü sağladığını gösterdi. Kısa çizgi uyarımı ve uyarlanabilir örnekleme şemasıyla yüksek hızlı görüntüler oluşturma yeteneği, gelecekteki birçok potansiyel kullanım için kapıyı açıyor.

Araştırmacılar, yeni yöntemin bireysel nöronları daha önce mümkün olmayan bir seviyede izlemelerini sağladığını buldu. Bu yeni veriler, bir gün nörologların bireysel nöronların kullanımını izole etmelerine ve daha iyi anlamalarına yardımcı olacak gelişmiş hesaplama algoritmalarının oluşturulmasına katkı sağlayacak.

Faydalar

Bu çalışma, pazara uzun bir fayda listesi getiriyor. Öncelikle, bu beyin görüntüleme tarzı, araştırmacıların beyin fonksiyonel mimarisini daha önce hayal edilemeyen şekillerde anlamalarını sağlıyor. Artık belirli beyin hücrelerinin belirli süreçler sırasında nasıl etkileştiğini ve iletişim kurduğunu görebiliyorlar.

Nörolojik Hastalıkların Tedavisi

Bu anlayış, Alzheimer ve Parkinson gibi nörolojik hastalıkların artışıyla mücadelede hayati öneme sahip olabilir. Bu iki hastalık, yılda yüz binlerce insanın hayatını kaybetmesine neden olmaktadır. ABD’de yalnızca Alzheimer nedeniyle yaklaşık +120K kişi yaşamını yitiriyor. Ne yazık ki, bu sayı 2060 yılına kadar küresel olarak 13,8 milyona çıkması bekleniyor.

Beynin bu durumlarda nasıl çalıştığını, sağlıklı olduğunda nasıl çalıştığıyla karşılaştırarak anlamak, mühendislerin bu boşluğu doldurup beyni orijinal işlevine geri döndürmesine olanak tanıyabilir. Şimdilik, veriler bu tür bir tedaviyi gerçeğe dönüştürmek için gereken birçok sırrı açığa çıkarmada büyük bir değere sahiptir.

Öğrenme

Beyin aktivitesini izlemek, bir ülkenin geleceği için kritik bir başka büyük neden de öğrenmeyi geliştirebilmesidir. Bir hafızanın nasıl tutunduğunu ya da öğeleri daha hızlı nasıl hatırlayabileceğimizi anlamak, bu beyin izleme tarzının iyileştirebileceği birkaç ilgi alanıdır. Gelecekte, okul müfredatları günümüzün birçok standardı yerine sinirsel tutuma dayalı olabilir.

Daha Hızlı Görüntüler

Eski yöntemlerle nörolojik aktiviteyi ölçmek etkiliydi ancak zaman alıcıydı. Ayrıca, araştırmacıların zihinsel eylemlerin karmaşık anlaşılması için gereken detayları sağlayacak kadar hızlı görüntüler sunmuyordu. Bu yeni yöntem, geleneksel iki-foton mikroskopisine göre 10 kat daha hızlıdır ve araştırmacıların eski sistemlerin kaydedemediği zihinsel fenomenleri izlemelerini ve takip etmelerini sağlar.

Daha Az Zarar

Daha hızlı performans, hastalar için daha az maruz kalma anlamına gelir. Ayrıca sistem, daha az güçlü lazerler gerektirir. Lazer gücünün azaltılması ve maruz kalma süresinin kısaltılması, hastaların beyin dokusuna daha az enerji radyasyonu alınmasını sağlar. Yeni sistem yalnızca ilgili nöronları aydınlatır, hassas dokuya zarar riskini azaltır.

Daha Az Maliyet

Maliyet azaltımı, yeni yaklaşımın bir diğer fayfasıdır. Çalışmaya göre, iki-foton floresan mikroskopu geleneksel iki-foton yöntemlerine kıyasla 10 kat daha az lazer gücü gerektirir. Bu güç azalması, daha fazla sürdürülebilirlik ve daha az çevresel etki demektir.

Genişletilebilir

Yeni tekniğin en büyük avantajlarından biri, diğer etkili yöntemlerle sorunsuz bir şekilde birleştirilebilmesidir. Araştırmacılar, cihazı ışın çoklama ve uzaktan odaklama gibi diğer prosedürlerle birleştirme planlarını zaten açıkladılar. Bu teknikler, görüntüleme hızını artırır ve gerçek zamanlı olarak hacimsel 3B görüntüler oluşturulmasını sağlar.

Araştırmacılar

Bu çalışma, Kaliforniya Üniversitesi, Davis’te Yunyang Li lider yazar olarak yürütülmüştür. Araştırma ekibi Ben Mattison, Junjie Hu, Kwun Nok Mimi Man, Shu Guo ve Weijian Yang’dan oluşmaktadır. Proje finansmanı, Burroughs Wellcome Fund, Ulusal Bilim Vakfı, Ulusal Nörolojik Bozukluklar ve İnme Enstitüsü ve Ulusal Göz Enstitüsü gibi çeşitli kaynaklardan sağlanmıştır.

Bu Araştırmadan Yararlanabilecek İki Şirket

Birçok üretici, bu teknolojiyi hizmetlerine entegre ederek pazara daha yüksek seviyede hizmet sunabilir. Demansı hafifletmeyi hedefleyen şirketlerden robotik firmalarına kadar, beyin aktivitesine erişmek ve bunu anlamak birçok açıdan mantıklı bir adımdır. İşte önümüzdeki aylarda bu teknolojiyi benimseyebilecek iki firma.

1. BrainChip Holdings Ltd

(ASX )

BrainChip Holdings Ltd, popüler bir beyin ağ yazılım simülatörüdür. Şirket, 2004 yılında piyasaya girmiş ve Avustralya merkezlidir. Kurucusu Peter Van Der Made, firmanın ileri yapay zeka (AI) ve makine öğrenimi (ML) entegrasyonuna odaklanan öncü çabalarını sürdürmesinde kritik bir rol oynamıştır.

Bugün, firma beyin sinir ağı modeline dayalı bir IoT altyapısı dahil olmak üzere çeşitli ürünler sunmaktadır. BrainChip’in tanınırlığını artıran bir diğer popüler ürün ise geliştiricilerin deneysel sinir ağları oluşturmasına, eğitmesine ve test etmesine olanak tanıyan Akita Geliştirme Ortamıdır.

BrainChip Holdings, 2023’ten bu yana bazı zorluklar yaşamıştır. Ancak, şirketin en son yazılımı ve AI ve ML sektörlerindeki girişimleri yatırımcı ilgisini yeniden canlandırdı. Bu nedenle, BrainChip Holdings Ltd güçlü bir yükseliş potansiyeline sahip olarak görülmektedir.

2. Biogen

(BIIB )

Biogen, yakın zamanda piyasada ses getiren bir farmasötik araştırma firmasıdır. Massachusetts merkezli üretici, nörolojik hastalıkların tedavisi ve bakımı konusunda uzmanlaşmıştır. Şu anda, nörolojik, nörodejeneratif ve otoimmün hastalıkların tedavisine yardımcı ürünlere sahiptir.

Biogen, bazı tedavilerini hızlı bir şekilde piyasaya sürmesi nedeniyle eleştiri almıştır, ancak bu durum şirketin piyasadaki yükselişini yavaşlatmamıştır. En son ürünü Leqembi, FDA tarafından hızlı izleme yoluyla onaylanmış ve Alzheimer hastalığını tedavi etmek üzere tasarlanmıştır. Şirket, son bir yılda en yeni ilacının kullanımının neredeyse üç katına çıkmasını gördü; bu da firmaya daha güçlü bir pazar konumu kazandırdı. Bu nedenle, Biogen’in Alzheimer tedavi pazarındaki erken varlığı ve sunduğu ürün kombinasyonu, yatırımcılar için potansiyel olarak güçlü bir alım fırsatı sunmaktadır.

İki-Foton Mikroskopu Geleceğe Bir Bakış Sağlıyor

İki-Foton floresan mikroskopu, insanlığı yalnızca düşünceyle çevresiyle etkileşime geçebilecek bir adım daha yaklaştırıyor. Bu yenilikçi araştırma ekibi, nörolojik araştırmanın sınırlarını zorladı ve insan beyin aktivitesine daha önce görülmemiş bir içgörü kazandırdı. Bu araştırma, bir gün daha az nörolojik hastalığa ve birçok başka ilerlemeye yol açabilecek ek çalışmaların ortaya çıkmasını kesinlikle sağlayacaktır.

Diğer harika sağlık projeleri şimdi.