روش جدید میکروسکوپی با اشعه ایکس تصویربرداری جامع از مدارهای عصبی متراکم را امکان پذیر می کند

تکنیک جدید میکروسکوپی با اشعه ایکس می تواند به تسریع تلاش برای نقشه برداری از مدارهای عصبی و در نهایت خود مغز کمک کند

نوروسافاری| تکنیک جدید میکروسکوپی با اشعه ایکس می تواند به تسریع تلاش برای نقشه برداری از مدارهای عصبی و در نهایت خود مغز کمک کند. همراه با تجزیه و تحلیل تصویر مبتنی بر هوش مصنوعی، محققان از XNH برای بازسازی مدارهای عصبی متراکم به صورت سه بعدی استفاده کردند و به طور جامع نورون ها را مرتب و حتی نورون های مشخصی را از عضلات به سیستم عصبی مرکزی در مگس های سرکه ردیابی کردند.

یکی از تلاش های عمده علوم اعصاب ساختن نقشه ای دقیق از مغز است که تمام نورون های آن و ارتباطات بین آنها را ترسیم می کند. چنین طرح سیم کشی، کانکتوم نامیده می شود، کمک می کند تا روشن شود که چگونه مجموعه ای از سلول ها با هم می توانند باعث ایجاد افکار، خاطرات، رفتارها و عملکردهای بی شمار دیگر شوند.

اکنون، محققان دانشکده پزشکی هاروارد، بیمارستان کودکان بوستون و تسهیلات تابش سنکروترون اروپا  (ESRF)  نشان داده اند که یک روش جدید میکروسکوپی با اشعه ایکس می تواند به تسریع تلاش در نقشه برداری از مدارهای عصبی و در نهایت خود مغز کمک کند.

 با گزارش در علوم اعصاب نیچر در ۱۴ سپتامبر، توضیح دادند که چگونه می توان از نانوتوموگرافی هولوگرافیک اشعه ایکس (XNH) برای تصویربرداری از حجم نسبتاً زیادی از مغز موش و بافت عصبی مگس سرکه در وضوح بالا استفاده کرد.

آنها همراه با تجزیه و تحلیل تصویر مبتنی بر هوش مصنوعی، مدارهای عصبی متراکم را به صورت سه بعدی بازسازی کردند، به طورکامل نورون ها را دسته بندی کردند و حتی نورون های منفرد را از ماهیچه ها به سیستم عصبی مرکزی در مگس های سرکه ردیابی کردند.

نویسنده مسئول مشترک، وی-چونگ آلن لی، استادیار HMS در زمینه نورولوژی در کودکان بوستون، گفت:

ما فکر می کنیم که این می تواند راه های جدیدی برای درک مغز، هم در نحوه سازماندهی و هم در مدارهای عملکردی آن، باز کند.

این نوع دانش می تواند بینشی اساسی درباره اختلالات عصبی، بیماری هایی که بر ساختار مغز تأثیر می گذارند و حتی موارد دیگر به ما ارائه دهد.

به گفته نویسندگان، برای سوالات بیولوژیکی مانند کشف مدار عصبی، میکروسکوپی با اشعه ایکس چندین مزیت نسبت به رویکردهای فعلی مبتنی بر میکروسکوپ الکترونی (EM) دارد.

الکساندرا پاکورئانو، نویسنده مسئول دیگر، دانشمندی در ESRF، گفت:

ما فکر می کنیم XNH می تواند ارزش افزوده زیادی برای علوم اعصاب به ارمغان بیاورد، زیرا اکنون می توانیم در زمان کوتاه تری به حجم بسیار بیشتری از اطلاعات دسترسی پیدا کنیم.

این آغاز یک رویکرد جدید جهت تلاش برای نقشه برداری از مدارهای عصبی است.

سرعت نزدیک به نور

مطالعه کانکتوم یک چالش بزرگ است. به عنوان مثال، مغز انسان شامل حدود ۱۰۰ میلیارد نورون با ۱۰۰ تریلیون اتصال عصبی است که تقریباً معادل تعداد ستاره های ۱۰۰۰ کهکشان است.

در مدل های حیوانی، دانشمندان پیشرفت چشمگیری داشته اند، مانند تصویربرداری از یک مغز کامل مگس سرکه، در درجه اول با گرفتن برش های پیاپی از مغز، هر کدام هزار برابر نازک تر از موی انسان و تصویر برداری از برش ها با EM و به هم چسباندن تصاویر برای تجزیه تحلیل.

هزینه های این روش از نظر زمان و منابع می تواند بازدارنده باشد، چون به تعداد زیادی تصویر EM که  هر کدام دارای میدان تصویربرداری محدودی هستند و به تلاشی شدید برای بازسازی مدارهای عصبی حتی کوچک نیاز دارند. نویسندگان این مطالعه گفتند که برای تسریع در انجام چنین تلاشهایی، نیاز به روشهای تصویربرداری جدید است.

برای انجام این کار، آزمایشگاه لی، که سازمان و عملکرد مدارهای عصبی را بررسی می کند، با پاکورئانو، متخصص میکروسکوپی با اشعه ایکس و تصویربرداری عصبی، همکاری کرد. با رهبری آرون کوآن از اولین نویسندگان، محقق تحقیق در زمینه نوروبیولوژی در HMS، و جاسپر فلپس، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در برنامه علوم اعصاب هاروارد، تیم بر استفاده از XNH در بافت عصبی متمرکز شد.

این روش به طور مشابه با سی تی اسکن، که با استفاده از اشعه ایکس چرخشی برای ایجاد تصاویر مقطعی پیاپی از بدن، کار می کند، عمل می کند. در مقابل، XNH یک نمونه بافت چرخان را در معرض اشعه ایکس پرانرژی در سنکروترون ESRF قرار می دهد که الکترون را تا سرعت نزدیک به نور در اطراف یک حلقه ۸۴۴ متری  شتاب میدهد.

بر خلاف تصویربرداری اشعه ایکس استاندارد، که به تفاوت در کاهش میزان اشعه ایکس هنگام عبور پرتو از یک بافت متکی است، XNH بر اساس تغییرات جابه جایی ظریف فاز پرتو توسط نمونه، تصاویر ایجاد می کند. این روش اخیر حساسیت را افزایش می دهد و همراه با تصویربرداری در شرایط برودتی، به بقا و محافظت از نمونه در اثر آسیب دیدن با اشعه ایکس کمک می کند.

تصاویر تولید شده توسط XNH باید تفسیر شوند تا مشخص شود کدام ساختارها نورون هستند. این تیم با استفاده از یادگیری عمیق یک تکنیک هوش مصنوعی که به طور فزاینده ای برای برنامه هایی مانند تشخیص چهره یا اشیا استفاده می شود، به حل این مسئله پرداختند.

محققان به عنوان اثبات اصل، حجم یک میلی متر از بافت عصبی موش و مگس سرکه را اسکن کرده و تصاویر سه بعدی را بازسازی کردند و به دقت مکانی حدود ۸۷ نانومتر دست یافتند. این کافی بود تا بصورت جامع سلولهای عصبی را قابل روئیت کرده و نوریتهای منفرد را ردیابی کند، زوایدی از نورونها که سیم کشی مدارهای عصبی را تشکیل می دهند.

نکته مهم، دستیابی به این بازسازی ها چند روز طول کشید، در مقایسه با ماهها تا سالها که با استفاده از EM می توان حجم مشابه برشهای پیاپی را بازسازی کرد.

از شکل تا عملکرد

در مغز موش، این گروه ناحیه ای از قشر را بررسی کردند که در یکپارچه کردن تحریکات حسی و تصمیم گیری ادراکی نقش دارد. مطالعات قبلی EM ویژگی های ساختاری جالبی از نورونهای به اصطلاح هرمی را در این منطقه ذکر کرده اند، اما به دلیل محدودیت در میدان دید قابل بررسی، به اندازه نمونه های حدود ۲۰ نورون در هر مجموعه داده محدود شده اند.

محققان با استفاده از XNH بیش از ۳۲۰۰ سلول را در این منطقه اسکن کردند. این تیم همراه با داده های یکسان از همان منطقه گرفته شده با EM، ساختار و اتصال صدها نورون هرمی را مشخص کردند- که ویژگی های ساختاری متمایزی داشتند- مانند ورودی های مهاری قوی و متراکم از نظر مکانی در برخی مناطق نوریت- که ویژگی های عملکردی منحصر به فرد و قبلاً توضیح داده نشده را نشان می دهد.

لی، یک محقق در مرکز نوروبیولوژی کربی در کودکان بوستون، گفت:

توانایی روئیت پذیری نورون ها به ما کمک می کند تا اصول سازماندهی مغز و اینکه چگونه مدارها یا شبکه های مختلف می توانند محاسباتی را که برای رفتار نیاز است انجام دهند، را درک کنیم.

بنابراین ما می توانیم آزمایشات بیشتری را انجام دهیم تا داده های ساختاری را با آزمایش های عملکردی مرتبط کنیم تا به این سوال به صورت مستقیم جواب دهیم.

آنها همچنین از نورونهای موجود در یک پای مگس سرکه، از ساختاری مشابه نخاع که برشگیری و مطالعه آن با EM دشوار است، تصویربرداری کردند. با XNH، آنها توانستند تمام نورونهای حرکتی را که در مگس از ساختاری مشابه نخاع به داخل پا گسترش می یابد، و همچنین نورونهای حسی که سیگنالها را به سیستم عصبی مرکزی منتقل می کنند، نقشه برداری کنند.

پاکورئانو، که سابقاً دانشمند مهمان در بخش نوروبیولوژی در انستیتوی بلواتنیک در HMS بود، گفت:

این روش قبلاً روی بافت عصبی اعمال شده بود، اما نه با این سطح از کیفیت و وضوح.

ما نشان داده ایم که می توانیم به وضوح مکانی کافی برای ردیابی نوریت ها دست پیدا کنیم و مطالعات را به سمت مسیر کانکتوم ها پیش ببریم.

محققان اکنون در تلاشند تا XNH را برای تصویربرداری از بافت بیولوژیکی بهبود بخشیده و بهینه سازی کنند.

وضوح فعلی به دست آمده توسط این روش، که در حال حاضر برای مطالعه به داده های EM جداگانه نیاز دارد هنوز برای قابلیت دیدن سیناپس ها کافی نیست. به گفته نویسندگان، محدودیت های فیزیکی علت دور از دسترس بودن این روش است و تلاش برای دستیابی به وضوح بیشتر توسط نسل بعدی منبع اشعه ایکس که اخیرا در ESRF پشتیبانی میشود، انجام خواهد شد.

لی گفت:

میکروسکوپی با اشعه ایکس دارای نقاط قوت خاصی است و یکی از اهداف ما استفاده از آن در شبکه های بزرگتر اتصالات عصبی با وضوح بالاتر است.

این امیدواری است که ما روزی بتوانیم به جواب دادن به سوالاتی  کمک کنیم از قبیل اینکه آیا می توانیم عملکرد مدارهای عصبی را درک کنیم،که زمینه ساز رفتارهای پیچیده ای مانند تصمیم گیری هستند؟ آیا می توانیم از الگوریتم های رایانه ای کارآمدتر و هوش مصنوعی الهام بگیریم؟ آیا می توانیم الگوریتم های مغز را مهندسی معکوس کنیم؟

نویسندگان دیگر این مطالعه شامل لوگان توماس، تری نگوین، جولی هان، چیائو-لین چن، آنتونی آزودو، جان توتیل، یان فانکه و پیتر کلوتنز هستند.

این کار توسط انستیتوهای ملی بهداشت (کمک هزینه R01NS108410)، ادوارد آر. و آن جی لفلر برای مرکز بررسی اختلالات نورودژنراتیو و خانواده گلدنسون و شورای تحقیقات اروپا (کمک ۸۵۲۴۵۵) پشتیبانی شد.

ترجمه: رویا ورمزیار – وبسایت نوروسافاری

لینک خبر:

New x-ray microscopy technique enables comprehensive imaging of dense neural circuits

لینک مقاله: 

DENSE NEURONAL IMAGING WITH X-RAY HOLOGRAPHIC NANO-TOMOGRAPHY

بیشتر بدانید:  شبکه­ های فعالیتی مغز، آسیب­ پذیری نسبت به افسردگی را پیش­ بینی می­کنند

همچنین ببینید

دوره آموزشی مبانی علوم اعصاب شناختی (دوره هفتم)

5 / 5 ( 1 امتیاز ) نوروسافاری | موسسه دانش بنیان آینده مغز (نوروسافاری) بر …

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *