تکنیک‌های نوروفوتونیک، آسیب‌های تروماتیک مغز را روشن می‌کنند

تکنیک‌های نوروفوتونیک، آسیب‌های تروماتیک مغز را روشن می‌کنند

ترجمه با مهندس شکوفه ساتری

امواج ضربه ای ناشی از لیزر بر روی سلول های عصبی، که با تصویربرداری فاز کمی نظارت می شود، به درک آسیب مغزی و اثرات فیزیولوژیکی آن کمک می کند.

آسیب تروماتیک مغزی می تواند تأثیرات فاجعه باری بر عملکرد روزمره و کیفیت زندگی داشته باشد. اکنون، مجموعه ای از ابزارهای فوتونیک ممکن است بینش جدیدی در مورد این وضعیت ارائه دهد. همراه با دانش فنی که با استفاده از علوم زیستی و فیزیکی در دسترس است، از روش های جدید تصویربرداری و تکنیک های بیوفوتونیکی به خوبی استفاده می شود. نمونه بارز این اتصال متقابل مطالعه امواج ضربه ای ناشی از لیزر (LIS) است.

اثرات امواج ضربه ای بر بدن انسان برای اولین بار در طول جنگ جهانی دوم مشاهده شد، زمانی که مشخص شد ملوانانی که در زمان انفجار اژدر در اقیانوس بودند، اما مستقیماً هدف قرار نگرفتند، اغلب به دلیل اختلال در ریه جان خود را از دست دادند. در تعدادی از موارد، هیچ آسیب فیزیکی خارجی به آنها وارد نشده بود. با این حال، اخیراً امواج ضربه ای به عنوان علت آسیب تروماتیک مغزی مطرح شده اند. هنگامی که امواج ضربه ای ایجاد شده توسط یک ضربه یا موج انفجار از جمجمه عبور می کند، می تواند به بافت عصبی آسیب برساند. آسیب به مغز ممکن است پایدار باشد و منجر به انواع اثرات ناتوان کننده مانند از دست دادن حافظه، افسردگی و سایر اختلالات ذهنی شود.

برای مطالعه اثرات امواج شوک بر مغز، تیم تحقیقاتی نویسندگان در دانشگاه کالیفرنیا، ایروین اخیراً از لیزر پالسی 1064 نانومتری Nd:YAG برای ایجاد امواج شوک میکروسکوپی و نظارت بر اثرات روی سلول‌های منفرد استفاده کردند. با استفاده از یک پرتو لیزر پالسی متمرکز بر یک نقطه، می توان انرژی شدید تولید کرد. هنگامی که تجمع انرژی در نقطه کانونی به اندازه کافی قوی باشد، یک حباب کاویتاسیون تشکیل می شود و سپس فرو می ریزد، که یک موج ضربه ای ایجاد می کند که از کانون به بیرون تابش می کند. با کنترل دقیق پارامترهای پرتو، امواج ضربه ای را می توان به گونه ای کالیبره کرد تا نیروهایی معادل منابع شناخته شده آسیب تروماتیک مغزی اعمال کند.

نویسندگان از این پدیده برای شبیه سازی آسیب های مغزی در شرایط آزمایشگاهی با استفاده از امواج ضربه ای ناشی از لیزر برای آسیب رساندن به سلول های عصبی مانند آستروسیت ها استفاده کردند. آستروسیت ها سلول های گلیال ستاره ای شکل هستند که پرتعدادترین سلول ها در سیستم عصبی مرکزی هستند. آنها نقش مهمی در حفظ عملکرد سالم نورون های مغز دارند. از آنجایی که سلول ها مسئول حفظ و تامین مواد مغذی به بافت عصبی در مغز و نخاع هستند، مطالعه نحوه واکنش آستروسیت ها به تروما، بینش های ارزشمندی را در مورد مکانیسم هایی که مغز برای ترمیم آسیب های داخلی استفاده می کند، ارائه می دهد.

یکی از راه های ارزیابی آسیب وارد شده به سلول، نظارت بر تغییرات مورفولوژیکی سلول است. با ایجاد امواج ضربه ای در نزدیکی سلول و اندازه گیری کمی تغییر حجم سلول با استفاده از میکروسکوپ هولوگرافیک، می توان مشاهده کرد که سلول چگونه در پاسخ به نیروی خارجی اعمال شده تغییر شکل می دهد.

میکروسکوپ فاز کمی (QPM)1 بر روی تصویربرداری تداخل فاز متمرکز است. تصویربرداری فازی به سال 1887 و با اختراع تداخل سنج مایکلسون برمی گردد. در دهه 1980، این تکنیک‌های تداخل با افزودن فناوری اسکن دیجیتالی که تداخل سنجی هولوگرافیک پویا را فعال می‌کرد، یک قدم فراتر برداشته شد. شفافیت سلول های زنده در طول تاریخ تصویربرداری از آنها را در زیر میکروسکوپ میدان روشن دشوار کرده است. با این حال، QPM می‌تواند با استفاده از اطلاعات فاز نور هنگام عبور از سلول‌ها، از سطوح سلول‌ها با وضوح نانومتری تصویربرداری کند. QPM تصاویر تداخل حاصل از دو پرتو را می گیرد: یکی که از نمونه عبور می کند و دیگری به عنوان پرتو مرجع استفاده می شود. با استفاده از الگوریتم‌های فاز باز کردن، QPM می‌تواند تغییر فاز در نور ناشی از سلول را اندازه‌گیری کند. با دانستن ضریب شکست می توان ارتفاع سلول ها را از طریق اطلاعات فاز به صورت کمی اندازه گیری کرد.

برای اهداف پژوهش نویسندگان، از QPM برای مشاهده ضخامت سلول های عصبی استفاده شد. این برای محاسبه حجم سلول ها و هرگونه تبادل جرم بین سلول ها و محیط آنها یا سلول های همسایه استفاده می شود. سپس از LIS برای القای آسیب سلولی و شبیه‌سازی آسیب مغزی تروماتیک استفاده شد تا بتوان پاسخ آستروسیت‌های عصبی را تعیین کرد و نقش سلول‌ها را در این فرآیند مشخص کرد.

با ترکیب این کار با تکنیک های فلورسانس معمولی، یک سیستم پیچیده از سیگنال دهی بین سلولی به تدریج آشکار شده است. این شبکه سیگنالینگ، که سطح کلسیم داخل سلولی را تغییر می‌دهد، پاسخ آسیب به آستروسیت‌های مجاور را تنظیم می‌کند و آپوپتوز و ترمیم سلولی را واسطه می‌کند.

سایر تکنیک ها در کار

علیرغم بینش های ارائه شده توسط امواج ضربه ای ناشی از لیزر و QPM، استفاده از تکنیک های کمتر مخرب برای دستکاری سلول ها در زیر میکروسکوپ اغلب سودمند است. در اینجا نیز فناوری بیوفوتونیک راهی برای حرکت و کاوش سلول های عصبی فراهم کرده است.

شاید یکی از پیشگامانه ترین کاربردهای پرتوهای لیزر در مقیاس سلولی، اختراع موچین های نوری توسط آرتور اشکین بود که برای آن جایزه نوبل را در سال 2018 دریافت کرد. بینش اشکین مبنی بر اینکه فشار تشعشع می تواند برای محدود کردن ذرات ریز میکروسکوپی در سه بعدی استفاده شود، این امکان را فراهم کرده است. مجموعه ای از اندازه گیری ها در سطح درون سلولی، از جمله در مغز. اشکین با استفاده از پرتوهای لیزر بسیار متمرکز توانست به اصطلاح نیروی گرادیان نوری بر روی ذرات دی الکتریک نزدیک به کانون پرتو ایجاد کند. این نیرو او را قادر ساخت تا ذرات منفرد را در مقیاسی که قبلاً هرگز به دست نیامده بود، به دام بیندازد و حرکت دهد.

فناوری بیوفوتونیک انقلابی در تشخیص پزشکی

به عنوان مثال ، بیوفوتونیک اکنون اجازه می دهد تا تک تک مولکول های پروتئین در داخل سلول های زنده برچسب گذاری کنند. ... یکی از کاربردهای مهم بیوفوتونیک بررسی سلولهای سرطانی و انجام لیزر درمانی و جراحی است.

به سمت میکروسکوپ های هوشمند: پتانسیل یادگیری عمیق برای کاربردهای زیست پزشکی

یادگیری عمیق کلاس تکنیک های یادگیری ماشین است که از شبکه های عصبی مصنوعی چند لایه برای تجزیه و تحلیل خودکار سیگنال ها یا داده ها استفاده می کند. این نام از ساختار کلی شبکه های عصبی عمیق ناشی می شود ، که از چندین لایه نورون مصنوعی تشکیل شده است و هر کدام یک عملیات غیرخطی را انجام می دهند و روی هم انباشته شده اند.  

پیش بینی می شود فناوری بیوفوتونیک سریعترین فناوری در بازار سنسور فوتونیک 2021 باشد

سنسورهای بیوفوتونیک

تقاضای فزاینده ای برای سنسورهای بیوفوتونیک در برنامه های کاربردی شامل ارتش ، امنیت میهن ، فرآیند صنعتی و زیست پزشکی و همچنین طیف گسترده ای از برنامه های دیگر وجود دارد. فناوری بیوفوتونیک مفاهیم سنجش را گسترش می دهد تا شامل شناسایی مواد شیمیایی و بیولوژیکی (سموم) و همچنین نظارت بر فرآیندهای بیولوژیکی باشد. سنسورهای بیوفوتونیک مبتنی بر طیف گسترده ای از فناوری های فوتونیک هستند. 

استفاده از فناوری بیوفوتونیک در کاربردهای بهداشت

اپتیک و فوتونیک در تحقیقات پزشکی و تشخیص پزشکی سابقه ای قوی دارند. از ابتدایی ترین شکل های میکروسکوپ ، برنامه های کاربردی پزشکی همچنان به محصولات و تکنیک های جدید مانند لیزر ، اسپکتروسکوپی ، میکروسکوپ مدرن ، تصویربرداری با وضوح بالا و حتی تشخیص از راه دور با استفاده از ارتباطات فیبر نوری ادامه پیدا کرده اند.

بازار جهانی بیوفوتونیک

گزارش تجزیه و تحلیل اندازه بازار ، اندازه و سهم بازار جهانی بیوفوتونیک  توسط فناوری (In-Vitro و In-Vivo) ، توسط برنامه (میکروسکوپی ، بیوسنسورها ، تصویربرداری و سایر کاربردها) ، توسط استفاده نهایی (تشخیصی پزشکی ، پزشکی درمانی ، نظارت پزشکی ، و سایر استفاده های نهایی) ، و پیش بینی ها ، 2019 - 2025.

تحقیقات مولکولی و بیوفوتونیک

توسعه روشهای نوری جدید با استفاده از طیف سنجی و میکروسکوپ برای تشخیص بهتر مولکولها و مولکولهای زیستی.

پیشبرد درک تعامل بین سیستمهای بیولوژیکی و فوتونها.

بیوفوتونیک

دانشجویان کارشناسی ارشد به اصول و کاربردهای بیوفوتونیک ها می پردازند. تمرین پزشکان، پزشکان، محققان زیست پزشکی، متخصصین مراقبت های بهداشتی و مهندسان پزشکی و تکنسین های پزشکی که با طراحی، توسعه و استفاده از اجزای فوتونیک و ابزار دقیق به مسائل بیوفوتونیک مشغول هستند.  

فناوری بیوفوتونیک