مشاهده تعامل نورون‌ها ممکن شد

محققان دانشگاه "استنفورد" موفق به ابداع روش‌های جدید برای مشاهده تعاملات بین نورون‌ها و نحوه محاسبات آنها شده‌اند.

کد خبر: ۱۲۴۴۴۳۰

تاریخ: ۲۵ آذر ۱۳۹۸ - ۰۸:۰۳

به گزارش خبرگزاری دانا و به نقل از مدیکال اکسپرس، حداقل از دهه ۱۹۵۰ تاکنون محققان بر این باور بوده‌اند که مغز نوعی رایانه است که در آن نورون‌ها مدارهای پیچیده‌ای تشکیل می‌دهند و این نورون‌ها در هر ثانیه تعداد بی‌شماری محاسبات انجام می‌دهند. چند دهه بعد، دانشمندان علوم اعصاب دانستند که این مدارهای مغزی وجود دارند، اما محدودیت‌های فنی بشر اغلب جزئیات محاسبات آنها را از دسترس دور نگه داشته است.
اکنون دانشمندان علوم اعصاب دانشگاه استنفورد گزارش داده‌اند که در نهایت توانسته‌اند به لطف یک مولکول که در واکنش به تغییرات الکتریکی ظریفی که نورون‌ها از آن برای انجام محاسبات خود استفاده می‌کنند، روشن‌تر از قبل می‌شود، آنچه در مدارهای مغز رخ می‌دهد را رصد کنند.

در حال حاضر یکی از بهترین راه‌ها برای ردیابی فعالیت الکتریکی نورون‌ها، مولکول‌هایی هستند که در حضور یون‌های کلسیم درخشان می‌شوند؛ یعنی لحظه‌ای که یک نورون سیگنال الکتریکی را به دیگری منتقل می‌کند. اما کلسیم خیلی آهسته جریان می‌یابد و نمی‌تواند تمام جزئیات نورون را نشان دهد و به هیچ وجه به تغییرات الکتریکی ظریف که واکنش نشان نمی‌دهد.

یک روش جایگزین برای حل این معضل کاشت الکترودها است، اما در نهایت این الکترودها به نورون‌ها آسیب می‌رسانند و قرار دادن الکترود در تعداد بی‌شماری از نورون‌ها در موجودات زنده عملی نیست.

محققان برای حل این مشکل به سرپرستی "مایکل لین" استادیار علوم مغز و اعصاب و مهندسی زیستی و عضو مؤسسه علوم اعصاب "Wu Tsai" و "استفان دیودون" مدیر تحقیقات در "École" پاریس بر مولکول‌های فلوئورسنت متمرکز شدند که روشنایی آنها مستقیما به تغییرات ولتاژ در نورون‌ها مرتبط است، ایده‌ای که "لین" و تیمش سال‌ها روی آن کار کرده بودند.

با این حال، این مولکول‌ها مشکل خاص خود را داشتند؛ درخشش آنها همیشه خیلی به ولتاژ ارتباط نداشت، بنابراین "لین" و گروهش در دانشگاه استنفورد به روش شناخته شده‌ای در زیست شناسی به نام "الکتروپوراسیون" روی آوردند.

محققان در این روش از کاوشگرهای الکتریکی برای ایجاد سوراخ در غشای سلولی استفاده می‌کنند که در اثر این کارف ولتاژ آنها به سرعت مانند یک باتری سوراخ شده به صفر می‌رسد. "لین" و همکارانش با سوراخ کردن غشای چندین مولکول منتخب توانستند آنهایی را که روشنایی آنها بیشترین تغییر را نسبت به تغییر ولتاژ دارند، انتخاب کنند. "لین" گفت مولکول حاصل موسوم به "ASAP۳" پاسخگوترین نشانگر به ولتاژ است.

"دیودون" و آزمایشگاه وی بر روی یک مشکل دیگر متمرکز شدند. اینکه چگونه می‌توان نورون‌ها را در اعماق مغز اسکن کرد. برای ساختن مولکول‌های فلوئورسنتی مانند "ASAP۳" در اعماق مغز، محققان اغلب از تکنیکی به نام "تصویربرداری دو فوتونی" استفاده می‌کنند که از پرتوهای لیزر مادون قرمز استفاده می‌کند که می‌توانند به بافت نفوذ کنند.

سپس محققان به منظور اسکن به اندازه کافی سریع چند نورون و دیدن تعامل آنها که تنها در حدود یک هزارم ثانیه طول می‌کشد، باید نقاط تابش لیزر را به سرعت از یک نورون به نورون دیگر منتقل کنند، کاری که انجام مطمئن آن در حیوانات که حرکت می‌کنند، سخت است.

"دیودون" و همکارانش راه حل را پیدا کردند که یک الگوریتم جدید به نام "تحریک حجمی منطقه‌ای فوق سریع" یا "ULoVE" است که در آن لیزر سریعاً چندین نقطه از حجم اطراف یک نورون را اسکن می‌کند.

"دیودون" گفت: چنین استراتژی‌هایی که در آن هر پالس از لیزر به دقت شکل گرفته و به فضای مناسب درون بافت فرستاده می‌شود، استفاده بهینه از قدرت نور را شامل می‌شود و امیدوارم به ما امکان ضبط و تحریک میلیون‌ها مکان در مغز را در هر ثانیه بدهد.

محققان با کنار هم قرار دادن این روش‌ها در موش‌ها نشان دادند که می‌توانند جزئیات زیادی از فعالیت مغز آنها را در لایه‌های بالای مغز که کنترل حرکت، تصمیم گیری و سایر عملکردهای شناختی را بر عهده دارد، ردیابی کنند.

"لین" گفت: اکنون می‌توانیم نورون‌های موجود در مغز موش زنده را با دقت بسیار بالایی نگاه کنیم و می‌توانیم این کار را برای مدت طولانی دنبال کنیم. این امر باعث می‌شود نه تنها چگونگی پردازش سیگنال نورون‌ها از سلول‌های عصبی دیگر و نحوه تصمیم گیری آنها، بلکه چگونگی تغییر محاسبات نورون‌ها با گذشت زمان را دریابیم.

در این میان "لین" و همکارانش بر بهبود بیشتر روش‌های خود متمرکز هستند. وی گفت: مولکول "ASAP۳" اکنون بسیار قابل استفاده است، اما ما اطمینان داریم که "ASAP۴" و "ASAP۵" به وجود خواهند آمد.

الکتروپوراسیون(Electroporation) یک روش میکروبیولوژی است که در آن اعمال یک میدان الکتریکی به سلول‌ها به منظور افزایش نفوذپذیری غشاء سلولی، اجازه می‌دهد مواد شیمیایی، مواد دارویی یا DNA به سلول منتقل شوند. این روش الکتروترنسفر نیز نامیده می‌شود. در میکروب‌شناسی، فرآیند الکتروپوراسیون اغلب برای تبدیل باکتری‌ها، مخمرها یا پروتئین‌های گیاهی به وسیله وارد کردن DNA کدگذاری شده جدید مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگر باکتری‌ها و پلاسمیدها با هم مخلوط شوند، پلاسمیدها می‌توانند بعد از الکتروپوراسیون به باکتری تبدیل شوند، هرچند بسته به اینکه چه چیزی منتقل می‌شود پپتیدهای نفوذکننده سلولی یا Cell-Squeezeها می‌توانند مورد استفاده قرار گیرد. الکتروپوراسیون با مکانیزم عبور هزاران ولت در فاصله یک تا دو میلی‌متر سلول‌های معلق در یک دستگاه الکتروپوراسیون کار می‌کند. پس از آن، جمعیت سلول‌ها باید با دقت مدیریت شوند تا آن‌ها فرصتی برای تقسیم شدن داشته باشند، تا سلول‌های جدید شامل پلاسمیدهای تکثیر شده تولید شود. این روند تقریباً 10 برابر مؤثرتر از تبدیل شیمیایی است.

الکتروپوراسیون همچنین برای وارد کردن ژن‌های خارجی به سلول‌های در حال کشت، به خصوص سلول‌های پستانداران بسیار مفید است. به عنوان مثال، آن را در روند تولید موش‌های آزمایشگاهی و همچنین در درمان تومور، ژن درمانی و درمان مبتنی بر سلول می‌توان استفاده کرد. فرآیند وارد کردن DNA خارجی به سلول‌های یوکاریوتی به عنوان "transfection" شناخته می‌شود. الکتروپوراسیون برای وارد کردن به سلول‌ها در تعلیق با استفاده از دستگاه‌های الکتروپوراسیون بسیار مؤثر است. الکتروپوراسیون برای استفاده در بافت موجودات زنده اثبات شده است. سلول‌های پایه را نیز می‌توان با استفاده از الکتروپوراسیون انتقال داد و محققان راه حلی برای جایگزینی سلول‌هایشان بعد از ترنسفکشن ارائه داده‌اند. با این حال یک نگرانی در مورد الکتروپوراسیون وجود دارد و این است که پس از فرآیند الکتروپوراسیون، فرآیند بیان ژن بیش از ۷۰۰۰ ژن می‌تواند تحت تأثیر قرار گیرد. این امر می‌تواند مشکلاتی را دربرداشته باشد که بیان ژن باید کنترل شود تا نتایج دقیق و تضمینی ارضا شود.

همجوشی سلولی نه تنها به عنوان یک فرایند ضروری در زیست‌شناسی سلولی، بلکه همچنین به عنوان یک روش مفید در بیوتکنولوژی و پزشکی مورد توجه است. سلول‌های همجوشی شده مصنوعی می‌تواند برای بررسی و درمان بیماری‌های مختلف مانند دیابت، بازسازی آکسون‌ها در سیستم عصبی مرکزی و تولید سلول‌هایی با خواص مورد نظر مانند واکسن‌های سلولی برای ایمونوتراپی سرطان استفاده شود. با این حال اولین و شناخته شده‌ترین کاربرد همجوشی سلول، تولید آنتی‌بادی‌های مونوکلونال در تکنولوژی هیبریدوم است. سلول‌های هیبرید به وسیله اتصال لنفوسیت‌های B تولیدکننده آنتی‌بادی با سلول‌های سرطانی سلول‌های لنفوسیت B تشکیل می‌شوند.