مواد و ساخت پیشرفته

پژوهش بر روی مغز و بررسی ساختار سلول‌های عصبی، نحوه ارتباط این سلول‌ها در فرآیندهای ذهنی و روند تغییرات و عکس‌العمل این سلول‌ها در انتقال داده‌ها، امری است که از دیرباز موردعلاقه دانشمندان بوده است و در سال‌های اخیر با شدت گرفتن تحقیقات بر روی مغز و تعریف پروژه‌های ملی در کشورهای توسعه‌یافته حول این موضوع، بررسی ساختار سلول‌های عصبی به‌ویژه تصویربرداری‌های با دقت (تا چند ده نانومتر) از این سلول‌ها مورد توجه قرار گرفته است.
در این زمینه، محققان دو آزمایشگاه اریک بزیگ (برنده جایزه نوبل-Eric Betzig) در پژوهشکده پزشکی جانلیا در موسسه هاوارد هیوز و همچنین آزمایشگاه اد بویدن (Ed Boyden) در دانشگاه MIT با همکاری هم توانسته‌اند یک روش تصویربرداری، ExLLSM، را توسعه دهند که در آن روش میکروسکوپی انبساطی، ExM، با میکروسکوپی نور صفحه شده مشبک، LLSM، برای تصویربرداری نانومتری از مگس و شبکه‌های مغز موش، ترکیب شده است.
میکروسکوپی انبساطی روش است که توسط گروه بویدن ایجاد شده و در آن با استفاده از یک ترکیب شیمیایی تلاش می‌شود تا اندازه و فاصله مولکول‌ها و اجزای یک نمونه زیستی را افزایش دهند تا در حد دقت تصویربرداری میکروسکوپ‌های نوری قرار گیرد. حال برای تصویربرداری از اجزای پیچیده و بزرگ شده بافت مغز با این روش، نیاز به میکروسکوپی است تا هم سرعت تصویربرداری بالا و هم دقت فضایی بالایی داشته باشد و درعین‌حال به بافت آسیب نزند. به‌عنوان مثال افزایش چهار برابری سایز نمونه در یک راستا موجب افزایش 64 برابری حجم نمونه می‌شود که در این شرایط، استفاده از یک میکروسکوپ سریع، بسیار حائز اهمیت است. چراکه علاوه برای افزایش حجم، و در نتیجه افزایش زمان تصویربرداری، خطر آسیب دیدن نمونه بر اثر تابش طولانی نور-Photobleaching- افزایش می‌یابد.

افزایش 4 برابری سایز نمونه مغز مگس سرکه در هر راستا و تصویر برداری از سلول های عصبی دوپامینرژیک (رنگ سبز) با LLSM
میکروسکوپ LLSM پژوهشکده جانلیا، با جاروب کردن نمونه توسط یک صفحه بسیار نازک نور، تنها بخشی از نمونه که درون ناحیه کانونی نور قرار دارد را روشن می‌کند و در نتیجه باقی بخش‌ها تاریک مانده و از خطر نوردهی اضافی در امان می‌مانند. با ترکیب دو روش ExM و LLSM، محققان توانستند با سرعت و دقت بالا از قسمت‌های بزرگ بافت مغز تصویربرداری نمایند.
در این تحقیق، تیم جالنیا نمونه‌های با کیفیت مگس سرکه را آماده کرده و محققان دانشگاه MIT با ترکیب 50000 مکعب تصویربرداری شده از بخش‌های مختلف نمونه و کنار هم قرار دادن آنها، توانستند یک تصویر سه‌بعدی از مغز مگس، به حجم 200 ترا بایت داده، تهیه نمایند.

انبوهی از ساختار شاخه های دندریت سلول های عصبی قشر مغز موش
همچنین این دو تیم توانستند بیش از 1500 رشته دندریت را بررسی و غلاف چربی‌ای که سلول‌های عصبی مغز موش را عایق‌بندی کرده‌اند جدا کرده و تعداد سیناپس‌های روی آن را بشمارند. به گفته محققان این پژوهش، در این روش، تصویربرداری از مغز موش دو تا سه روز به طول انجامید و برچسب‌های فلورسانسی که با دقت 60 تا 90 نانومتر بر روی بافت قرار گرفته بودند، تصویربرداری شدند و روش‌های فراوانی نیز جهت اثبات صحت تصویربرداری صورت گرفت. هم‌چنین گام بعدی این دو تیم راه‌اندازی یک سیستم تصویربرداری LLSM در دانشگاه MIT و ادامه تحقیقات بر روی مغز انسان است.
بدیهی است که شناخت فرآیندهای مغز و سازوکار ارتباطی سلول‌های عصبی، می‌تواند منجر با درمان بسیاری از بیماری‌های مرتبط با مغز از جمله آلزایمر، اوتیسم، پارکینسون، MS و... شود. همچنین با یک هدف‌گذاری بلندمدت‌تر می‌توان از این تحقیقات جهت تسهیل فرآیندهای آموزشی در مغز، افزایش توانایی‌های ذهنی و شناختی و همچنین ایجاد ارتباط بین انسان و ماشین به‌منظور کنترل دستگاه‌های متنوع مورد استفاده توسط انسان، بهره برد.
منبع:
BioPhotonics, Apr 2019