مباحث اپتیک در مغز

بخش 2: مباحث اپتیک در مغز

14. تصویربرداری نوری بیماری آلزایمر در اختلال عروقی

15. همودینامیک توسط NIR در مغز، و نمای کلی خلاصه میدان

16. سد خونی در موش با استفاده از دو فوتون و اولتراسوند

17. مروری بر تحریک عصبی مادون قرمز

18. 2 تحریک فوتون در مغز

19. بررسی اجمالی طیف سنجی همبستگی NIR در مغز

20. مروری بر توموگرافی منسجم نوری در درخت نورون

21. تحریک IR در اعصاب نخاعی

22. کانال های Ca+2 در مغز توسط مولتی فوتون ها

23. Ca2+ در مغز توسط مولتی فوتون جریان می یابد

24. نمای کلی نشانگرهای Ca2+ توسط 2PEF

25. کنترل بیوسیستم ها با استفاده از اپتوژنتیک

26. نقشه برداری مدار اپتوژنتیک با گیره پچ سلول کامل سنتی برای تعیین اتصال سیناپسی بین نورون های شناسایی شده در مدل های موش بیماری روانی

27. پروتئین های ویژه پروتئین های فلورسنت قرمز RFP در کاوش مغز

28. فعالیت عصبی OCT

29. میکروسکوپ پراکنده رامان تحریک شده در تحقیقات مغز

30. تصویربرداری از سیستم کوپلینگ عصبی عروقی با توموگرافی نوری لامینار و میکروسکوپ دو فوتونی ابرطیفی

31. تصویربرداری چند فوتونی در علوم اعصاب

الیاف فوق نازک برای اپتوژنتیک کم تهاجمی

ظهور اپتوژنتیک عصر جدیدی از علوم اعصاب را آغاز کرده است، زیرا به محققان اجازه می دهد نورون های خاصی را با نور در حیواناتی که آزادانه حرکت می کنند فعال یا مهار کنند. همراه با ضبط‌های الکتروفیزیولوژیکی، ابزارهای اپتوژنتیک می‌توانند تعاملات پیچیده بین نورون‌ها را در طول عملکردهای روزمره و همچنین در شرایط بیماری آشکار کنند.

فیبرهای نوری برای اپتوژنتیک معمولاً دارای سطح مقطع چند مرتبه بزرگتر از یک الکترود سیمی یا سلول مغزی هستند که می تواند به نورون های ثبت شده آسیب برساند و در نتایج تجربی تداخل ایجاد کند. اکنون، محققان آلمانی یک ساختار بهبود یافته بر اساس فیبرهای نوری فوق نازک ایجاد کرده اند که کمترین اختلال را در بافت مغز اطراف ایجاد می کند 

فیبرهای نوری به اندازه سلول

یک رویکرد رایج برای ترکیب دستکاری اپتوژنتیک و ضبط های الکتروفیزیولوژیکی استفاده از فیبر نوری با قطر بزرگ است که بافت ظریف اطراف الکترود را روشن می کند. با این حال، چنین الیاف حجیم نه تنها تعداد کانال‌های روی سر حیوان را محدود می‌کنند، بلکه می‌توانند بر کیفیت ضبط به دلیل تداخل فتوشیمیایی و الکترومغناطیسی، اثرات فتوولتائیک و آسیب‌های مکانیکی هنگام کاشت تأثیر منفی بگذارند.

نویسنده اول، دیوید اریکسون از آزمایشگاه اپتوفیزیولوژی در دانشگاه فرایبورگ آلمان گفت: «ضبط همزمان در مقیاس بزرگ و مداخلات اپتوژنتیک ممکن است کلید رمزگشایی گفتگوی سریع و چندوجهی بین نورون‌ها باشد که عملکرد مغز را حفظ می‌کند. "در حالی که الکترودها از تک سیم تا صدها کانال ضبط و کاهش سطح مقطع پیشرفت زیادی داشته اند، فیبرهای نوری از نظر اندازه و تعداد کانال های تحریک اصلاح نشده اند."

برای کاهش این مشکلات، اریکسون و همکارانش تصمیم گرفتند یک فیبر نوری ضخیم را با چندین فیبر نوری فوق نازک به اندازه سلول جایگزین کنند که الکترود را احاطه کرده است. در این فرآیند، آنها باید یک چارچوب نوری کاملاً جدید ایجاد می‌کردند - که آن را انتشار نور فیبر ذوب شده و ضبط خارج سلولی (FFLEXR) نامیدند - که همچنان امکان ضبط و تحریک را در یک حیوان آزادانه در حال حرکت می‌داد.

تحریک عصبی موفق

FFLEXR از الیاف بسیار نازک با قطر بیرونی و هسته به ترتیب 30 و 24 میکرون استفاده می کند که می توانند برای کاشت به هر پروب سیلیکونی متصل شوند. بر خلاف الیاف ضخیم سنتی با قطر هسته 200 میکرون، الیاف FFLEXR بسیار منعطف با شعاع خمشی بسیار کوچک‌تر هستند و به حیوانات اجازه می‌دهند بدون محدودیت حرکت کنند. راه اندازی آزمایشی همچنین شامل یک رابط فیبر ماتریس سبک وزن، یک کموتاتور نوری برای تحریک کارآمد چند کاناله و یک کابل پچ همه منظوره است.

ایلکا دیستر، نویسنده ارشد، همچنین از آزمایشگاه اپتوفیزیولوژی در دانشگاه فرایبورگ، گفت: «رویکرد جایگزین ما انعطاف‌پذیری برای اعمال هر طول موج دلخواه از طریق یک منبع نور قابل تعویض خارجی و فعال کردن تحریک اپتوژنتیک در اعماق مختلف بافت مغز را حفظ می‌کند.

محققان سیستم خود را با انجام همزمان دستکاری اپتوژنتیک، ضبط الکتروفیزیولوژیک و بازخوانی رفتاری در موش‌ها و موش‌های صحرایی که آزادانه حرکت می‌کنند، تأیید کردند. در هر دو مورد، حیوانات با چندین فیبر نوری بسیار نازک با حداقل تهاجم و همچنین پروب های آرام برای ضبط خارج سلولی با کیفیت بالا کاشته شدند. در نهایت، هدف آنها گسترش FFLEXR برای دستیابی به ضبط سطح کل مغز و تحریکات اپتوژنتیک است.

اریکسون می‌گوید: «استفاده آینده از این سیستم می‌تواند ثبت فعالیت عصبی از آن فیبرها باشد. این می‌تواند راهی برای مطالعه سیگنال‌های تعدیل‌کننده عصبی با تفکیک فضایی باشد، که به نوبه خود برای درک انواع مختلف بیماری‌ها حیاتی هستند.

اپتیک و مغز

5. اپتوژنتیک، رمزگذاری ژنتیکی، و کاوشگرهای جدید

سخت افزار اپتود و الکترود برای تحریک و/یا ضبط

استفاده از میکروسکوپ های مینیاتوری با اپتوژنتیک

نشانگرهای کلسیم و ولتاژ رمزگذاری شده ژنتیکی

اشکال جدید کنتراست عملکردی

استراتژی های ژنتیکی جدید برای اپتوژنتیک

مدل سازی و غلبه بر پراکندگی در اپتوژنتیک

چالش های افزایش اپتوژنتیک به پستانداران غیر انسانی

6. پراکندگی، پاکسازی، و مهندسی جبهه موج

پیشرفت در میکروسکوپ ورق نوری

تکنیک‌های جدید برای تصویربرداری و تحریک مغز در داخل بدن و در شرایط آزمایشگاهی

گورخرماهی، مگس سرکه و موجودات کوچک مشابه

تکنیک های پاکسازی و تصویربرداری ساختاری، حیوان به انسان

مدیریت داده های نوری و استراتژی های تجزیه و تحلیل

استراتژی های چند فوتونی برای تصویربرداری عمیق تر

استراتژی های اپتیک تطبیقی

7. فیزیولوژی و بیماری مغز

استفاده از طیف‌سنجی نوری و سیستم‌های تصویربرداری برای مطالعه مغز در سلامت و بیماری (مانند آلزایمر، سکته مغزی، صرع و غیره)

مدل های بیماری مغز و ابزارهای نوری

فتوترومبوز

درمان نوری

فتودینامیک درمانی

8. ابزار کلان داده (جمع آوری، مدیریت، کاهش، تجزیه و تحلیل)

استراتژی های تصویربرداری سریع

تصویربرداری برش های سریال

میکروسکوپ های میدان دید بزرگ و پهنای باند فضا

استراتژی های فشرده سازی

ابزارهای مدیریت داده ها

فراگیری ماشین

ابزارهای نرم افزاری و فرمت های داده

9. هیبریدهای نوری

فوتوآکوستیک / اپتوآکوستیک

رویکردهای آکوستو-اپتیک

مدولاسیون صوتی فعالیت عصبی

ترکیبی نوری / PET / CT / MRI

ترکیبی الکتریکی/نوری

اپتیک و مغز

اپتیک و مغز

1. اپتیک در مغز انسان

طیف‌سنجی نزدیک مادون قرمز عملکردی (fNIRS) و توموگرافی نوری منتشر (DOT)

طیف سنجی همبستگی پراکنده.

سیستم های پوشیدنی

رابط های کامپیوتری مغز

تصویربرداری نوری مغز داخل جراحی

پروب های فیبر نوری، طیف سنجی و تصویربرداری آندوسکوپی

مدولاسیون نوری سیستم عصبی مرکزی انسان

عصب شناسی شبکیه

کنتراست لکه ای

مدل سازی عروق و متابولیک

کاربردهای بالینی

عوامل نوری ترجمه (اپتوژنتیک، شاخص های کلسیم، پروب های مولکولی)

2. بازاندیشی الگوهای اسکن و شکل دادن به نور

میکروسکوپ ورق نوری

مهندسی جبهه موج

اپتیک تطبیقی

روشنایی ساختار یافته

تمرکز زمانی

شکل دهی تیر غیر گاوسی (بسل، دونات، هوا و غیره...)

3. تکنیک های ساختاری و فوق رزولوشن

تکنیک های بهبود وضوح

طراحی و بهینه سازی فلوروفورها

استفاده از وضوح فوق العاده

ردیابی ذرات

فرآیندهای مولکولی و بیوفیزیکی

4. تجزیه و تحلیل مدار، عملکرد شبکه و پردازش اطلاعات

سیستم های مدل برای مطالعات شبکه

رویکردهای تئوری- تجربی ترکیبی برای تحلیل شبکه

مدل های استنتاج شبکه

استراتژی های تصویربرداری بهینه شده برای تجزیه و تحلیل شبکه

رمزگشایی توابع از داده های فعالیت

تصویربرداری چند مقیاسی از فعالیت مغز

میکروسکوپ عملکردی

میکروسکوپ های پوشیدنی

میکروسکوپ الکتریکی / نوری هیبریدی.

اپتیک در مغز

اپتیک و مغز (مغز)

محققانی را که در تمام جنبه‌های اپتیک در مغز کار می‌کنند گرد هم می‌آورد و به عنوان یک انجمن برای بحث در مورد تکنیک‌های موجود و نوظهور و همچنین جهت‌گیری‌های آینده که قادر به ایجاد نور جدیدی بر مغز سالم و بیمار هستند، خدمت می‌کند.

فناوری‌های جدیدی را شناسایی کرده‌اند که می‌توانند مغز در حال کار را در تمام سطوح، از نورون‌های منفرد گرفته تا کل ارگانیسم‌های دارای رفتار، کاوش کنند. اپتیک یک جعبه ابزار منحصر به فرد برای تصویربرداری چند مقیاسی از مغز زنده و دست نخورده ارائه می دهد، در حالی که استراتژی های برچسب گذاری ژنتیکی جدید کنتراست نوری را با عملکرد عصبی فراهم می کند و اپتوژنتیک امکان کنترل عملکرد سلولی را با نور فراهم می کند.

این نشست با گرد هم آوردن یک گروه بین‌المللی از مهندسین، دانشمندان نوری و پزشکی، زیست‌شناسان، شیمی‌دانان و پزشکان برجسته، حوزه تحقیقاتی بسیار بین‌رشته‌ای این موضوع را منعکس می‌کند. 

اپتوژنتیک و دستکاری نوری

مجله نوروفوتونیک

"بررسی تاثیر فرکانس مدولاسیون بر کیفیت تصویر توموگرافی اپتیکال پراکنده با چگالی بالا"

محدوده

فناوری‌های نوری جدید برای تصویربرداری و دستکاری ساختار و عملکرد مغز از تجسم اندامک‌های درون سلولی و مجموعه‌های پروتئین تا بررسی ماکروسکوپی غیرتهاجمی فعالیت قشر مغز در افراد انسانی. روش ها و کاربردها به سرعت در حال رشد هستند و پیشرفت های عمیقی را در درک پدیده های مغز مانند تحریک پذیری الکتریکی، مشارکت نوروگلیال، سیگنال دهی عصبی عروقی، فعالیت متابولیک و همودینامیک در سلامت و بیماری ایجاد می کنند. در رابط بین اپتیک و علوم اعصاب، نوروفوتونیکس پیشرفت‌های فناوری نوری قابل استفاده برای مطالعه مغز و تأثیر آنها بر کاربردهای اساسی و بالینی علوم اعصاب را پوشش می‌دهد. Neurophotonics مقالات بررسی شده را در مورد طیف گسترده ای از موضوعات منتشر می کند که تأثیر روش های نوری جدید در علوم اعصاب را برجسته می کند. برخی از نمونه های نماینده، اما نه جامع، شامل توسعه و کاربردهای زیر است:

روش های میکروسکوپی

روش های نانوسکوپی با وضوح فوق العاده

اپتوژنتیک و سایر روش های نوری دستکاری رفتار سلولی

گزارشگرها و محرک های نوری مصنوعی و رمزگذاری شده ژنتیکی

روش های پاکسازی نوری

روش‌هایی برای بررسی فیزیولوژی نوروگلیال و عروقی

روش‌های بررسی انرژی سلولی

روش‌های غیرتهاجمی اندازه‌گیری و تصویربرداری عملکرد مغز و فیزیولوژی

روش‌های فوتوآکوستیک از وضوح نوری تا وضوح صوتی

کاربردهای بالینی و ترجمه

روش های محاسباتی مربوط به درک و تفسیر اندازه گیری های نوری.

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.

تشخیص، نوروتکنولوژی و اپتوژنتیک

تحقیقات اخیر پیش‌بینی می‌کند که فوتونیک در بیش از 20 درصد تست‌های تشخیصی تا سال 2035 مورد استفاده قرار خواهد گرفت و ممکن است نقش کلیدی در افزایش کارایی و کارایی تست‌های تشخیصی داشته باشد. همه‌گیری COVID-19 اهمیت اپتیک را در تشخیص برجسته کرد و هر یک از آزمایش‌های روزانه PCR بریتانیا از طریق فناوری لیزر خوانده می‌شد. در حالی که پیش از این اپتیک کلید تشخیص بود، بیماری همه گیر بر اهمیت آنها تأکید کرد.

ابزارهای مبتنی بر فوتونیک در حال حاضر سالانه 2.5 میلیارد پوند از سیستم مراقبت بهداشتی ملی بریتانیا را تشکیل می دهند که معادل 4٪ از کل بودجه آن است. پیش‌بینی می‌شود که این رقم در سال‌های آینده افزایش یابد، با مزایای راه‌حل‌های نوری، مانند مقرون‌به‌صرفه بودن و کارایی آن‌ها، که منجر به استفاده بیشتر از فوتونیک نسبت به آزمایش‌های سنتی می‌شود که عموماً در درازمدت ناپایدار و غیرقابل‌قابل هستند.

تا سال 2035، پیش‌بینی می‌شود که پیشرفت‌ها در فوتونیک یکپارچه اجازه آزمایش‌هایی را می‌دهد که در حال حاضر به ابزارهایی در اندازه آزمایشگاهی نیاز دارند تا روی تراشه‌های مینیاتوری انجام شوند. این امر چهره تشخیص را تغییر می‌دهد، با انجام آزمایش به بالین، اتاق عمل و جراحی پزشک عمومی.

نور چهره تشخیص پزشکی و درمان را تغییر خواهد داد. این به دانشمندان این امکان را می دهد تا بینش مهمی در مورد ماهیت بیماری و نحوه تأثیر آن بر افراد مختلف به دست آورند.

ابزارهای اپتوژنتیک قابل کاشت برای تحقیقات پزشکی و پیشرفت پزشکی در دهه آینده یا بیشتر اهمیت فزاینده ای دارند. آنها در حال حاضر در تحقیقات، به ویژه بررسی بیماری هایی که بر مغز تأثیر می گذارد، استفاده می شوند.

توسعه دستگاه های اپتوژنتیک شاخه جدیدی از فناوری عصبی را باز می کند که از رابط های نوری مغز و رایانه استفاده می کند. این رشته به طور بالقوه می تواند رویکردهای درمانی جدیدی را برای شرایط مزمن و همچنین کاهش هزینه های مراقبت ارائه دهد. در زیر، نحوه استفاده از این فناوری برای درمان بیماری پارکینسون را شرح می دهیم.

اپتوژنتیک در قلب و عروق

دستگاه‌های انتوژنتیک قابل کاشت به دانشمندان برای تحقیق در مورد بیماری‌های قلبی عروقی کمک می‌کنند. از این رو، رویکردهای جدید تشخیصی و درمانی موثر توسعه یافته است.

دستگاه های انتوژنتیک قابل کاشت می توانند سیگنال های مختلف بیوفیزیکی، شیمیایی و محیطی را اندازه گیری کنند. دانشمندان می‌توانند این نوع داده‌ها را که در طول زمان جمع‌آوری شده است، تجزیه و تحلیل کنند تا به غربالگری بیماری‌ها و همچنین به دست آوردن درک عمیق‌تری از نحوه ظهور و پیشرفت بیماری‌ها کمک کنند، که منجر به توسعه گزینه‌های درمانی مؤثرتر و شخصی‌تر می‌شود.

از نظر بیماری های قلبی عروقی، رابط های شفاف برای تحقیقات قلب ایجاد شده است و قبلاً به عنوان یک ابزار حیاتی در تحقیقات الکتروفیزیولوژی نوری ایجاد شده است. به عنوان مثال، نانوسیم‌های نقره یک‌بعدی (Ag NWs) و طلا (Au) در دستگاه‌های شفاف با رسانایی الکتریکی عالی و درجات بالایی از انعطاف‌پذیری مکانیکی استفاده شده‌اند. این به دانشمندان اجازه داد تا بیماری های قلبی عروقی را بررسی کنند.

دستگاه های اپتوژنتیک بی سیم جایگزین راه حل های مرسوم برای بیماری های قلبی عروقی شده اند. دستگاه‌های نوآورانه‌ای برای ضربان‌زنی مزمن یا خاتمه برنامه‌ریزی‌شده آریتمی‌ها ایجاد شده‌اند که نسبت به گزینه‌های سنتی مزایایی مانند انعطاف‌پذیری و حداقل تهاجم آن‌ها دارند.