گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری

علوم اعصاب/میکروسکوپی/اپتوژنتیک

علوم اعصاب/میکروسکوپی/اپتوژنتیک: فناوری های جدید برای تصویربرداری عصبی در علوم اعصاب

صنعت نوروتکنولوژی - شامل دستگاه‌ها، تشخیص‌ها و داروهایی است که مغز و بقیه سیستم عصبی را هدف قرار می‌دهند.

میکروسکوپ

یک میکروسکوپ فلورسانس مینیاتوری و یکپارچه به نام nVista HD اولین بار در این رویداد به نمایش درآمد. توسعه‌دهنده اینسکوپیکس، شرکت (پالو آلتو، کالیفرنیا) این سیستم را بر اساس فناوری توسعه‌یافته در دانشگاه استنفورد استوار کرد: nVista HD امکان پخش ویدیوهای زنده و با کیفیت بالا از فعالیت‌های عصبی در مقیاس بزرگ را در موش‌های بیدار و دارای رفتار طبیعی فراهم می‌کند.

دستگاه های مولکولی (سانی ویل، کالیفرنیا) نسخه 2.5 نرم افزار اتوماسیون میکروسکوپی و تجزیه و تحلیل تصویر MetaMorph NX خود را به نمایش گذاشت که شامل ماژول هایی برای بررسی مورفولوژی عصبی و ساختارهای فیبر، پشتیبانی از دستگاه های روشنایی هدفمند، و حالت گرفتن تصویر با سرعت بالا است.

شرکت‌های میکروسکوپی سنتی‌تر نیز سیستم‌ها و قابلیت‌های جدیدی را منتشر کردند. به عنوان مثال، گروه تجاری میکروسکوپی کارل زایس (ینا، آلمان) Lightsheet Z.1 خود را معرفی کرد، یک سیستم میکروسکوپ فلورسانس ورقه نور (LSFM) برای تصویربرداری از فرآیندهای پویا در نمونه های زنده. اصل روشنایی سیستم، سمیت نوری بسیار کم و انکوباسیون یکپارچه را ارائه می دهد تا تصویربرداری را در طول ساعت ها یا چند روز یا بیشتر امکان پذیر کند. به خصوص در مورد ارگانیسم های بزرگتر، مانند مگس میوه یا جنین گورخرماهی، این رویکرد اطلاعات بیشتری نسبت به میکروسکوپ فلورسانس سنتی ارائه می دهد. و می تواند داده ها را از زوایای دید مختلف تولید کند که می تواند در بازسازی های سه بعدی و ویدیوهای تایم لپس ترکیب شود.

میزبان سمپوزیومی بود که پیشرفت‌ها در تصویربرداری عملکردی و نقشه‌برداری مغز در سطح میکروسکوپی، از جمله قابلیت جدید میدان تاریک با کنتراست بالا سیستم میکروسکوپ اسلاید مجازی VS120 را برجسته کرد. هم برای نمونه‌های رنگ‌آلود و هم برای نمونه‌های فلورسنت، تاریک‌فیلد درک ساختار و عملکرد را تسهیل می‌کند و سودمندی خاصی برای تصویربرداری مغز را نوید می‌دهد.

لایکا میکروسیستمز (وتزلار، آلمان) سیستم کانونی چند فلورسانس طیفی مبتنی بر منشور TCS SP8 جدید خود را با اسکن با سرعت بالا تا 428 فریم در ثانیه برجسته کرد. این دوربین میدان دید وسیع و انباشته شدن سریع Z را ارائه می دهد و اجزای نوری آن برای تقویت کنتراست و بهبود زنده ماندن در تصویربرداری سلول زنده طراحی شده اند.

استفاده از اپتوژنتیک برای درمان بیماری پارکینسون

استاندارد طلایی برای درمان بیماری پارکینسون دارو است. ترکیب موجود در این دارو، که قوی ترین دارو برای بیماری پارکینسون است، با افزایش سطح دوپامین در مغز، علائم کلیدی این بیماری مانند سفتی و کندی حرکت را کاهش می دهد. با این حال، این دارو عوارض جانبی عمده ای مانند دیسکینزی و ایجاد رفتارهای تکانشی دارد. تأثیر دارو نیز به مرور زمان از بین می رود.

با توجه به اینکه تخمین زده می شود بیش از 10 میلیون نفر در سراسر جهان با بیماری پارکینسون زندگی می کنند، نیاز فوری به درمان موثرتر وجود دارد. درمان جایگزین فعلی، درمان جراحی با تحریک عمیق مغز است که نویدبخش است. با این حال، تنها بخش کوچکی از بیماران پارکینسون این درمان را دریافت می کنند.

مطالعات نشان داده اند که تحریک عمقی مغز می تواند به طور موثری اختلال حرکتی را درمان کند و همچنین نشان داده است که در گسترش پنجره موثر موثر است. در حالی که این درمان بدون عوارض جانبی، مانند موارد مربوط به خلق و خو و شناخت نیست، درمان تحریک مغز یک حوزه درمانی امیدوارکننده برای کشف است.

اکنون دانشمندان در تلاش هستند تا درمان تحریک مغز را از طریق استفاده از اپتوژنتیک بهینه کنند. این فرضیه وجود دارد که اپتوژنتیک می تواند شکاف های مهمی را در دانش ما از بیماری پارکینسون روشن کند تا دانشمندان بتوانند یک گزینه درمانی پیشرفته و خاص برای بیمار ارائه دهند.

قبل از اینکه اپتوژنتیک به پتانسیل کامل خود برسد، تحقیقات بیشتری در این زمینه مورد نیاز است. در سال‌های آتی، احتمالاً شاهد پیشرفت‌های مهم تری از مطالعات با استفاده از دستگاه‌های اپتوژنتیک قابل کاشت خواهیم بود، که احتمالاً در ابتدا حوزه بیماری‌های عصبی بیشترین سود را خواهد داشت.

پیشرفت تحقیقات پزشکی با دستگاه های اپتوژنتیک قابل کاشت

اپتوژنتیک یک رشته نوظهور است که از نور و مهندسی ژنتیک برای شناسایی و کنترل فعالیت پروتئین ها یا نورون های اصلاح شده ژنتیکی استفاده می کند.

کار در زمینه اپتوژنتیک چندین دهه پیش آغاز شد، با این حال، در سال 2002 زمانی که زملمن و همکارانش روشی را برای فعال کردن گروه‌هایی از نورون‌های حساس به رودوپسین از طریق تحریک نوری ایجاد کردند، اولین پیشرفت خود را در علوم اعصاب جریان اصلی ایجاد کرد. از آن زمان، دانشمندان به طور فزاینده ای به حوزه اپتوژنتیک علاقه مند شده اند و تحقیقات زیادی برای استفاده از آن در کاربردهای متعدد انجام شده است.

اپتوژنتیک کاربردهای متعددی را در بخش‌های مختلف، از فناوری گرفته تا کشاورزی، توسعه داده است. در اینجا، ما بر چگونگی تحول در تحقیقات پزشکی برای تسهیل تشخیص سریع بیماری و ارائه نظارت و گزینه های درمانی جدید برای بیماری های مختلف تمرکز می کنیم.

نوروفیدبک

نوروفیدبک (NFB) که نوروتراپی نیز نامیده می‌شود، نوعی بیوفیدبک است که بازخوردی را در زمان واقعی از فعالیت مغز ارائه می‌کند تا عملکرد سالم مغز را از طریق شرطی‌سازی عملی تقویت کند. به طور معمول، فعالیت الکتریکی از مغز از طریق حسگرهایی که با استفاده از الکتروانسفالوگرافی (EEG) روی پوست سر قرار می‌گیرند، جمع‌آوری می‌شود و بازخورد با استفاده از نمایشگرهای ویدئویی یا صدا ارائه می‌شود. شواهد قابل توجهی وجود دارد که از نوروتراپی برای درمان عمومی اختلالات روانی حمایت می کند، [1] [2] و در طول چهار دهه انجام شده است، اگرچه هرگز در جریان اصلی پزشکی برجسته نشده است. NFB نسبتا غیر تهاجمی است و به عنوان یک گزینه درمانی طولانی مدت تجویز می شود که معمولاً یک ماه طول می کشد تا تکمیل شود.

چندین پروتکل نوروفیدبک وجود دارد که مزایای بیشتری از استفاده از الکتروانسفالوگرافی کمی (QEEG) یا تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) برای محلی‌سازی و شخصی‌سازی درمان دارد.[3][4] فناوری‌های مرتبط شامل نوروفیدبک با واسطه طیف‌سنجی فروسرخ نزدیک (fNIRS)، بیوفیدبک هموآنسفالوگرافی (HEG) و بیوفیدبک fMRI است.

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.

الکتروانسفالوگرافی

الکتروانسفالوگرافی (EEG) روشی برای ثبت الکتروگرام از فعالیت الکتریکی روی پوست سر است که نشان‌دهنده فعالیت ماکروسکوپی لایه سطحی مغز در زیر آن است. معمولاً غیر تهاجمی است و الکترودها در امتداد پوست سر قرار می گیرند. الکتروکورتیکوگرافی، شامل الکترودهای تهاجمی، گاهی اوقات EEG داخل جمجمه نامیده می شود.

EEG نوسانات ولتاژ ناشی از جریان یونی در نورون های مغز را اندازه گیری می کند.[1] از نظر بالینی، EEG به ثبت فعالیت الکتریکی خود به خودی مغز در طول یک دوره زمانی اشاره دارد، همانطور که از چندین الکترود قرار داده شده بر روی پوست سر ثبت شده است.[1] کاربردهای تشخیصی عموماً بر روی پتانسیل های مرتبط با رویداد یا بر محتوای طیفی EEG تمرکز دارند. اولی نوسانات بالقوه زمان قفل شده برای یک رویداد را بررسی می کند، مانند "شروع محرک" یا "فشار دکمه". دومی نوع نوسانات عصبی (که معمولاً "امواج مغزی" نامیده می شود) را که می توان در سیگنال های EEG در حوزه فرکانس مشاهده کرد، تجزیه و تحلیل می کند.

EEG اغلب برای تشخیص صرع استفاده می شود که باعث ناهنجاری در خواندن EEG می شود.[2] همچنین برای تشخیص اختلالات خواب، عمق بیهوشی، کما، آنسفالوپاتی ها و مرگ مغزی استفاده می شود. EEG یک روش خط اول تشخیص برای تومورها، سکته مغزی و سایر اختلالات مغزی کانونی بود، [3] [4] اما این استفاده با ظهور تکنیک‌های تصویربرداری آناتومیک با وضوح بالا مانند تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) کاهش یافته است. و توموگرافی کامپیوتری (CT). علیرغم وضوح فضایی محدود، EEG همچنان یک ابزار ارزشمند برای تحقیق و تشخیص است. این یکی از معدود تکنیک های موبایل موجود است و وضوح زمانی با برد میلی ثانیه ارائه می دهد که با CT، PET یا MRI امکان پذیر نیست.

مشتقات تکنیک EEG شامل پتانسیل‌های برانگیخته (EP) می‌شود که شامل میانگین‌گیری فعالیت EEG در زمان ارائه یک نوع محرک (بصری، حسی، جسمی یا شنوایی) است. پتانسیل‌های مرتبط با رویداد (ERP) به پاسخ‌های EEG متوسطی اشاره دارد که برای پردازش پیچیده‌تر محرک‌ها قفل شده‌اند. این تکنیک در علوم شناختی، روانشناسی شناختی و تحقیقات روانی فیزیولوژیکی استفاده می شود.

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.»

شفاف سازی بافت با استفاده از هیدروژل های مبتنی بر آکریل آمید

روشنی [1] روشی برای شفاف سازی بافت با استفاده از هیدروژل های مبتنی بر آکریل آمید است که از داخل ساخته شده و به بافت متصل شده است و همانطور که در مقاله اولیه تعریف شده است ، نشان دهنده "تبدیل بافت بیولوژیکی دست نخورده به شکل ترکیبی است که در آن اجزای خاصی با عناصر برون زایی جایگزین می شوند که دسترسی یا عملکرد جدیدی را ارائه می دهند ". [1] هنگامی که با برچسب گذاری بر اساس آنتی بادی یا ژن همراه است ، CLARITY تصاویری بسیار دقیق از ساختار پروتئین و اسید نوکلئیک اندام ها ، به ویژه مغز را قادر می سازد. این توسط Kwanghun Chung و Karl Deisseroth در دانشکده پزشکی دانشگاه استنفورد توسعه داده شد. [2]

چندین مقاله منتشر شده روش CLARITY را برای طیف وسیعی از بافتها و بیماریها مانند ایمونوآنکولوژی سرطان سینه انسان ، [3] مغز انسان در بیماری آلزایمر ، [4] نخاع موش ، [5] مدل حیوانی مولتیپل اسکلروزیس ، اعمال کرده اند. [6] و گیاهان. [7] CLARITY همچنین با فن آوری های دیگر ترکیب شده است تا روش های جدید میکروسکوپی از جمله میکروسکوپ انبساط کانونی ، میکروسکوپ ورق نور SPIM و میکروسکوپ ورق نور بهینه سازی شده با وضوح (COLM) ترکیب شود.

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.