نوروفوتونیک

رویکردهای ترکیبی و چندوجهی برای تصویربرداری عصبی

تصویربرداری همودینامیک نوری و تعاملات عصبی عروقی

تصویربرداری مزوسکوپی، میکروسکوپی و آندوسکوپی از ساختار و عملکرد عصبی

پراکندگی بافت، پاکسازی و پراکندگی زدایی

میکروسکوپ فوق رزولوشن و نانوسکوپی سیستم عصبی

گزارشگران و محرک های جدید، اپتوژنتیک، بیولومینسانس

تجزیه و تحلیل داده ها، یادگیری ماشین و پردازش تصویر

تجزیه و تحلیل مدار، عملکرد شبکه و پردازش اطلاعات

اپتیک و بیماری مغز

شکل دهی نور در مغز، هولوگرافی

اشاعه و تجاری سازی فناوری های BRAIN

رابط های عصبی نوری حلقه بسته

قسمت های مغز

مغز انسان نه تنها یکی از مهم ترین اعضای بدن انسان است. همچنین پیچیده ترین است. مغز از میلیاردها نورون تشکیل شده است و همچنین دارای تعدادی بخش تخصصی است که هر کدام در عملکردهای مهمی نقش دارند.

در حالی که هنوز چیزهای زیادی وجود دارد که محققان هنوز درباره مغز نمی دانند، آنها چیزهای زیادی در مورد آناتومی و عملکرد مغز یاد گرفته اند. درک این بخش‌ها می‌تواند به افراد کمک کند تا تصور بهتری از چگونگی تأثیر بیماری و آسیب بر مغز و توانایی آن برای عملکرد داشته باشند.

قشر مغز بخشی از مغز است که انسان را منحصر به فرد می کند. عملکردهایی که از قشر مغز منشا می گیرند عبارتند از:

آگاهی

تفکر مرتبه بالاتر

خیال پردازی

پردازش اطلاعات

زبان

حافظه

ادراک

استدلال

احساس

اقدام بدنی داوطلبانه 1

قشر مغز همان چیزی است که وقتی به مغز نگاه می کنیم می بینیم. بیرونی ترین قسمتی است که می توان آن را به چهار لوب تقسیم کرد.

هر برآمدگی روی سطح مغز به عنوان شکنج شناخته می شود، در حالی که هر شیار به عنوان یک شیار شناخته می شود.

استفاده پزشکی الکتروانسفالوگرافی

EEG یکی از تست های اصلی تشخیصی برای صرع است. یک ضبط معمول EEG بالینی معمولاً 20 تا 30 دقیقه (به علاوه زمان آماده سازی) طول می کشد. این آزمایشی است که فعالیت الکتریکی مغز را با استفاده از دیسک‌های فلزی کوچک (الکترود) متصل به پوست سر تشخیص می‌دهد. به طور معمول، EEG در شرایط بالینی برای تعیین تغییرات در فعالیت مغز استفاده می شود که ممکن است در تشخیص اختلالات مغزی، به ویژه صرع یا سایر اختلالات تشنج مفید باشد. EEG همچنین ممکن است برای تشخیص یا درمان اختلالات زیر مفید باشد:[14]

تومور مغزی

آسیب مغزی ناشی از ضربه به سر

اختلال عملکرد مغز که می تواند دلایل مختلفی داشته باشد (آنسفالوپاتی)

التهاب مغز (آنسفالیت)

سکته

اختلالات خواب

همچنین می تواند:

تشنج‌های صرع را از انواع دیگر طلسم‌ها، مانند تشنج‌های غیرصرعی روان‌زا، سنکوپ (غش)، اختلالات حرکتی زیر قشری و انواع میگرن تشخیص دهید.

افتراق آنسفالوپاتی یا دلیریوم "ارگانیک" از سندرم های روانپزشکی اولیه مانند کاتاتونیا

به عنوان یک آزمایش کمکی برای مرگ مغزی در بیماران مبتلا به کما عمل می کند

پیش آگهی در بیماران مبتلا به کما (در موارد خاص)

تعیین کنید که آیا داروهای ضد صرع را از شیر بگیرید.

گاهی اوقات، یک نوار مغزی معمولی برای تعیین تشخیص یا تعیین بهترین اقدام از نظر درمان کافی نیست. در این مورد، ممکن است تلاش هایی برای ثبت EEG در حالی که تشنج رخ می دهد، انجام شود. این به عنوان یک ضبط ictal شناخته می شود، در مقابل ضبط بین کتال که به ضبط EEG بین تشنج اشاره دارد. برای به دست آوردن یک ضبط آیکتال، یک نوار مغزی طولانی مدت معمولاً همراه با یک ضبط ویدیویی و صوتی هماهنگ با زمان انجام می شود. این کار را می توان به صورت سرپایی (در خانه) یا در طول بستری در بیمارستان، ترجیحاً در یک واحد نظارت بر صرع (EMU) با پرستاران و سایر پرسنل آموزش دیده در مراقبت از بیماران مبتلا به تشنج انجام داد. نوار مغزی ویدئویی سرپایی سرپایی معمولاً یک تا سه روز طول می کشد. پذیرش در واحد نظارت بر صرع معمولا چندین روز طول می کشد اما ممکن است یک هفته یا بیشتر طول بکشد. در حالی که در بیمارستان هستید، داروهای تشنج معمولاً حذف می شوند تا احتمال بروز تشنج در طول بستری افزایش یابد. به دلایل ایمنی، داروها در طی EEG خارج از بیمارستان حذف نمی شوند. بنابراین، نوار مغزی ویدئویی سرپایی از مزیت راحتی برخوردار است و هزینه کمتری نسبت به پذیرش در بیمارستان دارد، اما ضرر آن کاهش احتمال ثبت یک رویداد بالینی است.

مانیتورینگ صرع معمولاً برای تشخیص تشنج‌های صرع از انواع دیگر طلسم‌ها، مانند تشنج‌های غیرصرعی روان‌زا، سنکوپ (غش)، اختلالات حرکتی زیر قشر مغز و انواع میگرن، برای مشخص کردن تشنج‌ها برای اهداف درمانی و محلی‌سازی انجام می‌شود. ناحیه ای از مغز که تشنج از آن منشأ می گیرد تا جراحی احتمالی تشنج را بررسی کند. بیمارستان ها از مانیتور EEG برای کمک به تشخیص تشنج استفاده می کنند. آنها از این اطلاعات برای کمک به روند درمان و همچنین کشف خطرات استفاده می کنند. بسیاری از متخصصان اهمیت EEG را در مورد تشنج های مشکوک برای تشخیص و ارزیابی بیان کرده اند[15]. پزشکان می توانند از سیستم مانیتورینگ EEG برای کمک به بررسی برخی گزینه های درمانی و همچنین برخی از عوامل خطر استفاده کنند. با پیشرفت فناوری، محققان در حال یافتن مانیتورهای جدیدی هستند که در مورد تشنج دقیق تر هستند. "تکنیک های پیشرفته با EEG مداوم و تکنیک ساده شده با aEEG به پزشکان اجازه می دهد تا تشنج های بیشتری را در کنار تخت تشخیص دهند." aEEG مخفف الکتروانسفالوگرافی یکپارچه دامنه است و می تواند هر گونه فعالیت الکتریکی مغز را درست مانند مانیتور EEG تشخیص دهد. مانیتور aEEG می تواند نظارت کند. عملکرد مغز برای مدت طولانی، در حالی که یک مانیتور EEG فقط می تواند عملکرد مغز را برای چند ساعت تا چند روز کنترل کند. اثرات

علاوه بر این، EEG ممکن است برای نظارت بر عمق بیهوشی، به عنوان یک شاخص غیرمستقیم پرفیوژن مغزی در اندارترکتومی کاروتید، یا برای نظارت بر اثر آموباربیتال در طول آزمایش وادا استفاده شود.

EEG همچنین می‌تواند در بخش‌های مراقبت‌های ویژه برای نظارت بر عملکرد مغز برای نظارت بر تشنج‌های غیر تشنجی/صرع وضعیت غیر تشنجی، برای نظارت بر اثر آرام‌بخش/بی‌هوشی در بیماران در کما ناشی از پزشکی (برای درمان تشنج‌های مقاوم به درمان یا افزایش صرع داخل جمجمه‌ای) استفاده شود. فشار)، و برای نظارت بر آسیب ثانویه مغزی در شرایطی مانند خونریزی زیر عنکبوتیه (روش تحقیقاتی در حال حاضر).

اگر بیمار مبتلا به صرع برای جراحی رزکتیو در نظر گرفته شود، اغلب لازم است که کانون (منبع) فعالیت مغزی صرعی با وضوحی بیشتر از آنچه توسط EEG پوست سر ارائه می شود، موضعی شود. این به این دلیل است که مایع مغزی نخاعی، جمجمه و پوست سر پتانسیل الکتریکی ثبت شده توسط EEG پوست سر را لکه دار می کنند. در این موارد، جراحان مغز و اعصاب معمولا نوارها و شبکه‌هایی از الکترودها (یا الکترود عمق نفوذی) کاشت می‌کنند.

ابزار اپتوژنتیک ارگانیک نور را بر ارتباطات مغز می تاباند

پروتئین‌های حساس به نور به نام رودوپسین‌ها در اپتوژنتیک برای کنترل فعالیت‌های عصبی استفاده می‌شوند، اما رودوپسین‌های موجود می‌توانند کارایی پایینی داشته باشند، به‌ویژه زمانی که برای کنترل فعالیت سیناپسی بین نورون‌ها استفاده می‌شوند. یک رودوپسین مشتق شده از پشه که توسط دانشمندان مؤسسه علوم ویزمن کشف شد، کنترل دقیق و مکانی-زمانی فعالیت سیناپسی در مغز را فراهم می کند. استفاده از آن به عنوان یک ابزار اپتوژنتیک می تواند درک دانشمندان را از نقش های عملکردی مسیرهای عصبی خاص بیشتر کند.

این تیم تحقیقاتی که توسط پروفسور Ofer Yizhar هدایت می شود، از روش های اپتوژنتیک برای مطالعه سیگنال هایی استفاده می کند که بین نورون ها از طریق سیناپس های مغز موش های زنده منتقل می شود. ییژار گفت: «ما می‌توانیم وجود انتقال‌دهنده‌های عصبی مختلف را تشخیص دهیم، اما نورون‌های مختلف این انتقال‌دهنده‌های عصبی را متفاوت می‌خوانند». اپتوژنتیک ما را قادر می سازد نه تنها «جوهر» را ببینیم، بلکه واقعاً «پیام» را رمزگشایی کنیم.»

اپتوژنتیک: چراغ ها ، دوربین ، عمل! اشعه ای از نور ، سایه ای بدون نقاب

اپتوژنتیک: چراغ ها ، دوربین ، عمل! اشعه ای از نور ، سایه ای بدون نقاب

خلاصه:

زمینه اپتوژنتیک با سرعت زیادی پیشرفت کرده است و هم به عنوان یک ابزار تحقیقاتی و هم یک راه حل درمانی برای کاربردهای زیست پزشکی ، به ویژه در زمینه علوم اعصاب عمل می کند. با ابتکار اخیر BRAIN که توسط موسسه ملی سلامت راه اندازی شد و فناوری پیشرفته (به نام CLARITY) برای شفاف سازی مغز کل موش ، مفهوم استفاده از نور برای کاوش و کنترل عملکردهای سلولی به سرعت به واقعیت بالینی تبدیل می شود. با توجه به این واقعیت که کانالهای یونی حساس به نور (میکروبی) نیاز به ادغام در سلولهای حیوانی دارند ، پیش بینی می شود که کاربرد اپتوژنتیک تأثیر وسیعی بر بیوتکنولوژی ، علوم نانو و پزشکی داشته باشد. در این فصل ، ما به دنبال ارائه گزارشی عمیق از چشم انداز فعلی اپتوژنتیک ، کاربردهای بالینی بالقوه آن و پیامدهای آن در آینده هستیم.

ابزار اپتوژنتیک ارگانیک ارتباطات مغز را روشن می کند

تیم تحقیقاتی ، که توسط پروفسور اوفر ییشار رهبری می شود ، از روش های اپتوژنتیک برای مطالعه سیگنال هایی که بین نورون ها از طریق سیناپس مغز موش های زنده عبور می کند ، استفاده می کند. یژار گفت: "ما می توانیم وجود انتقال دهنده های عصبی مختلف را تشخیص دهیم ، اما نورون های مختلف این انتقال دهنده های عصبی را" متفاوت "می خوانند. "Optogenetics ما را قادر می سازد نه تنها" جوهر "را ببینیم ، بلکه واقعاً" پیام "را رمزگشایی کنیم."

Yizhar دریافت که رودوپسین های موجود به اندازه کافی دقیق و پایدار نیستند تا تیمش بتواند بررسی کند چه سیگنالی از طریق سیناپس های مختلف عبور می کند. برای درک بهتر نقش های مسیرهای مختلف ، دانشمندان باید رودوپسینی را پیدا کنند که کنترل بیشتری به آنها بدهد. یژار گفت: "ما تصمیم گرفتیم به اطراف نگاه کنیم و ببینیم چه راه حل های طبیعی وجود دارد."

پس از بررسی تعدادی از پروتئین های رودوپسین آلی ، دانشمندان انتخاب خود را به یک رودوپسین از یک پشه محدود کردند. آنها برای ارزیابی اثربخشی انتخاب خود ، پروتئین پشه را در برابر دارویی آزمایش کردند که قدرت فعالیت سیناپسی را کاهش می دهد. آنها دریافتند که رودوپسین مشتق شده از پشه انتقال عصبی را در سلول های عصبی به همان اندازه موثر می کند و رودوپسین پایدارتر است.

برخلاف دارویی که قسمت های متعددی از مغز را تحت تأثیر قرار می دهد و کنترل آن دشوار است ، رودوپسین پشه فقط بر نورون هایی که سنسور پشه ها را هنگام تابش نور به آنها تولید می کند ، تأثیر می گذارد. با استفاده از رودوپسین مشتق شده از پشه ، دانشمندان قادرند فعالیت سیناپسی مغز را در فضا و زمان تعدیل کنند.

برای آزمایش اثربخشی ابزار اپتوژنتیک جدید ، دانشمندان از آن برای جلوگیری از انتشار انتقال دهنده عصبی دوپامین در یک طرف مغز موش ها استفاده کردند. هنگامی که آنها نور سبز به نیمکره مغز نشان دادند و رودوپسین پشه را بیان کردند ، یک سوگیری یک طرفه متمایز در رفتار موش ها مشاهده کردند.

یژار می گوید: "یکی از مزایای اصلی رودوپسین پشه این است که قابل دوقطبی است - یعنی نیازی به طراوت ندارد - و به طور بالقوه بسیار خاص است ، به طوری که ما می توانیم سیناپسهای دقیق مورد علاقه خود را کنترل کنیم." "این یک فناوری بسیار هیجان انگیز است ، زیرا به ما امکان می دهد نقش مسیرهای خاص در مغز را به روشی که قبلاً امکان پذیر نبود کشف کنیم. ما فکر می کنیم این پروتئین پشه می تواند راه را برای ایجاد یک خانواده کامل از ابزارهای جدید اپتوژنتیک برای استفاده در تحقیقات علوم عصبی باز کند. "

توانایی رودوپسین پشه در سرکوب انتقال عصبی بین نورون ها می تواند روش های اپتوژنتیک را برای مطالعه انتقال عصبی در مغز بهبود بخشد و در نهایت منجر به درمان های جدید و بهتری برای بیماری های عصبی و روانی شود.

اپتوژنتیک با شکوفه ساتری

اپتوژنتیک با شکوفه ساتری

پروژه ها

پروژه 1: "کنترل Optogenetic of neuromodulation"

پروژه 2: "اکتشاف ابزار نوری در فرهنگ ، در قطعه ، و در داخل بدن"

پروژه 3: "اکتشاف ابزار نوری در فرهنگ ، در برش ، و در داخل بدن"

پروژه 4: "بررسی تحریک پذیری عصبی با سنسورهای ولتاژ مشتق از طاق"

پروژه 5: "تصویربرداری طولی از کلسیم در موشهای دارای رفتار آزاد با استفاده از سیستم Inscopix"

پروژه 6: "تصویربرداری in vivo از جمعیت های مختلف عصبی با استفاده از فتومتری فیبر دو رنگ"

پروژه 7: "تمام مشخصه های نوری مهار پایانه با واسطه eOPN3 در داخل بدن"

پروژه 8: "الکتروفیزیولوژی و اپتوژنتیک در مقیاس بزرگ در طول رفتار ثابت"

پروژه 9: "تصویربرداری کلسیم داخل بدن با مینیسکوپ های منبع باز"

پروژه 10: "ترکیب الکتروفیزیولوژی داخل بدن و اپتوژنتیک در موشهایی که آزادانه حرکت می کنند"

پروژه 11: "تمام بازرسی های نوری از مدارهای دوپامین در موش هایی که آزادانه حرکت می کنند با استفاده از نورسنجی و حسگرهای زیستی مولتی پلکس فیبر"

پروژه 12: "دستکاری تمام نوری و خواندن انتقال سیناپسی"

اپتوژنتیک با شکوفه ساتری

تکنیک های زیر در طول دوره آموزش داده خواهد شد:

کاشت فیبرهای نوری ، تزریق استریوتاکتیک ویروس ها در موش ها.

تحریک بینایی زایی (BIPOLES) و نظارت بر اندازه مردمک و رفتار موش.

تصویربرداری از پاسخهای کلسیم ، ایجاد یک سیستم تحویل پاداش و یک سیستم تثبیت سر برای موشهایی که یا در یک لوله بی حرکت هستند و یا بر روی یک تردمیل کار می کنند.

اکتشاف آزمایشگاهی از روش FLARE

روشنایی هولوگرافی 2 فوتونی برای دستیابی به تک سلولی ، فعال سازی اپتوژنتیکی سلول های پیش سیناپسی و ضبط پچ-گیره نورون پس از سیناپسی را برطرف کرد.

عکسبرداری همزمان و تصویربرداری کلسیم از سلولهای پیش سیناپسی و تصویربرداری از ولتاژ در سلول پس سیناپسی

استفاده از میکروسکوپ های مینیاتوری روی سر (Inscopix).

تجزیه و تحلیل داده های سطح جمعیت را بر روی داده هایی که طی چند روز جمع آوری شده است انجام دهید

سنجش های رفتاری شامل پیچ و خم بالا ، آزمایش در فضای باز ، مصرف آب ، ساکارز ، کینین و غذا و همچنین شوک های خفیف پا

کاشت سر ، تزریق ویروس داخل مغزی استریوتاکسیک و آماده سازی کرانیوتومی برای ضبط طولانی مدت

ساختمان راه اندازی الکتروفیزیولوژی سر ثابت

ضبط پروب سیلیکون ، در موشهای سر ثابت در حین رفتار ، با استفاده از پروانه های سیلیکونی با چگالی بالا و چگالی بالا (128-512 کانال) و نظارت فیزیولوژیکی

برچسب گذاری نوری و دستکاری های ژنتیکی انواع سلولهای خاص

سخت افزار و نرم افزار منبع باز برای کسب و پردازش داده ها ، از جمله OpenEphys ، Bonsai ، PulsePal ، Cyclops ، Arduino ، Linux ، KiloSort و MountainSort

میکرو درایو بسازید ، پروب های سیلیکونی را روی آنها نصب کنید ، فیبرهای نوری با طول سفارشی بسازید

اپتوژنتیک ، شیمی ژنتیک و حسگرهای زیستی برای علوم اعصاب سلولی و مدار

اپتوژنتیک ، شیمی ژنتیک و حسگرهای زیستی برای علوم اعصاب سلولی و مدار

مروری بر دوره

دستکاری دقیق مکانی-زمانی و خواندن عملکرد مدار مغز یکی از طولانی ترین چالش های علوم اعصاب بوده است. انفجار اخیر در زمینه ابزارهای رمزگذاری شده ژنتیکی برای کنترل و اندازه گیری فعالیت عصبی ، بررسی عملکرد مغز را بسیار وسیع کرده است ، از سیناپس های تک گرفته تا مدارهای مقیاس بزرگ. هم کنترل و هم بازخوانی فعالیت عصبی را می توان در مقادیر بزرگی در فضا و زمان بدست آورد ، از میکرومتر تا کل مناطق مغز و از میلی ثانیه تا روزها.

این دوره به شرکت کنندگان این فرصت را می دهد تا با استفاده از جدیدترین ابزارهای کدگذاری ژنتیکی و تجهیزات پیشرفته برای بررسی مدار مغز ، تجربه عملی را کسب کنند. تمرکز ویژه ای روی دستکاری های چندگانه و خواندن مدارهای مغزی خواهد بود. شرکت کنندگان با اصول بیوفیزیکی پشت سنسورها و محرک ها آشنا می شوند و آموزش های تکمیلی با سابقه آنها در جنبه های فنی رویکردهای تجربی آموزش داده می شود.

در آزمایش های عملی ، از محرک های اپتوژنتیک و شیمیوژنتیک ، از جمله کانال های یونی تحریک کننده و بازدارنده ، پمپ ها ، آنزیم ها و گیرنده های جفت شده با پروتئین G استفاده خواهد شد. این محرک ها با شاخص های ژنتیکی فعالیت عصبی شامل شاخص های کلسیم و ولتاژ و همچنین شاخص های انتقال دهنده های عصبی و تنظیم کننده های عصبی مانند گلوتامات ، دوپامین و نوراپی نفرین تکمیل می شوند.

این دوره طیف وسیعی از سیستم های آزمایشی را با تأکید بر مدارهای عملکردی مغز در شرایط in vivo پوشش می دهد. در نهایت ، شرکت کنندگان از طریق تجزیه و تحلیل داده ها و تفسیرهای مفهومی آزمایشات خود راهنمایی می شوند.