حسگرها و محرک های مولکولی برای تصویربرداری و دستکاری فعالیت مغز

پیشرفت های اخیر در مهندسی مولکولی منجر به ایجاد چندین خانواده از حسگرهای نوری با کیفیت بالا شده است. ما از اصطلاحات "حسگر"، "شاخص" و "کاوشگر" به جای یکدیگر استفاده می کنیم تا به طور گسترده مولکول هایی را توصیف کنیم که سیگنال قابل اندازه گیری را در پاسخ به تغییرات در فعالیت مغز ارائه می دهند. به دنبال تعریف سنتی این اصطلاح در علوم تحلیلی، ما از "بیوسنسور" برای اشاره تنها به حسگرهایی استفاده می کنیم که در آنها یک جزء پروتئینی تغییر بیولوژیکی مورد علاقه را تشخیص می دهد. در ترکیب با میکروسکوپ پیشرفته، تصویربرداری یون کلسیم ([خطای پردازش ریاضی]) با استفاده از GCaMPs94 اکنون به طور معمول برای فعال کردن تصویربرداری در مقیاس بزرگ، تک یا چند فوتونی برای بازخوانی فعالیت مدار عصبی در حیوانات بیدار و دارای رفتار استفاده می‌شود. سنسورهای ولتاژ در سال‌های اخیر از نظر ویژگی‌های ذاتی مانند محلی‌سازی غشا، روشنایی، حساسیت و سینتیک بهبود یافته‌اند. این حسگرهای ولتاژ را می‌توان به سه دسته کلی تقسیم کرد: حسگرهای مصنوعی، 97 بیوسنسور هیبریدی که از ترکیبی از رنگ‌های مصنوعی و پروتئین‌های کدگذاری شده ژنتیکی استفاده می‌کنند، 98 و حسگرهای زیستی کاملاً با کد ژنتیکی. جدیدترین انتقال الکترون القا شده با تغییر رنگ قرمز (PeT) که در زیر مشخص شده است. 102 حسگرهای زیستی ولتاژ هیبریدی ویژگی مولکولی پروتئین‌های کدگذاری شده ژنتیکی را با ویژگی‌های فوتوفیزیکی بی‌نظیر فلوروفورهای مصنوعی ترکیب می‌کنند. حسگرهای زیستی ولتاژ رمزگذاری شده ژنتیکی بر اساس اپسین ها یا حوزه های سنجش ولتاژ هستند. جدیدترین آنها به عملکرد همتایان مصنوعی خود نزدیک می شوند.103 انتخاب سنسور ولتاژ توسط برنامه های کاربردی هدایت می شود و هیچ راه حل واحدی برای همه مناسب نیست.104

فراتر از [خطای پردازش ریاضی] و ولتاژ، تلاش‌های اخیر مهندسی پروتئین اکنون مفهوم حسگرهای زیستی مبتنی بر تک FP را به طراحی حسگرهای زیستی رمزگذاری‌شده ژنتیکی برای انتقال‌دهنده‌های عصبی و تعدیل‌کننده‌های عصبی، از جمله گلوتامات، GABA، دوپامین، نوراپی نفرین، سروتونین، سروتونین و آکِت گسترش داده است. بر اساس گیرنده‌های جفت‌شده با پروتئین G (GPCR) یا پروتئین‌های اتصال پری پلاسمیک باکتریایی (PBP).

با قدردانی روزافزون از مفاهیم واحد عصبی عروقی 118 و سیناپس سه جانبه 119، تلاشی هماهنگ برای توسعه حسگرهای زیستی فلورسنت برای متابولیسم سلولی، 120،121 و هدف قرار دادن این حسگرها و سایر حسگرهای زیستی نه تنها به سلول‌های عصبی، بلکه سلول‌های غیر عصبی از جمله آستروسیت‌ها صورت گرفته است. و همچنین سلول های دیواری ایمنی و عروقی).122

حسگرهای ذکر شده در بالا، چه از نظر ژنتیکی رمزگذاری شده باشند، چه ترکیبی یا مصنوعی، از فلورسانس برای گزارش فعالیت استفاده می کنند. یکی دیگر از شکل های قابل توجه لومینسانس، فسفرسانس است که طول عمر بیشتری دارد و بنابراین در مقیاس زمانی کندتر رخ می دهد. فسفرسانس به طور سنتی در سنجش [خطای پردازش ریاضی]، یک پارامتر فیزیولوژیکی از اهمیت کلیدی در مغز و جاهای دیگر، استفاده می‌شود. توسعه پروب‌های جدید تحریک‌پذیر 2P با جابجایی قرمز اخیراً تصویربرداری عمقی داخل عروقی و بافتی از فشار جزئی را فعال کرده است. [خطای پردازش ریاضی] ([خطای پردازش ریاضی]).124,125

فلورسانس و فسفرسانس مستلزم این است که فوتون ها به مولکول کروموفور/فسفر برای القای انتشار تحویل داده شوند. در مقابل، در بیولومینسانس، تابش نور در فرآیند یک واکنش شیمیایی رخ می دهد که در آن یک آنزیم یک بستر را اکسید می کند. فعال سازی با استفاده از نور ساطع شده برای تحریک پروتئین های حساس به نور. 128 اگرچه مفهوم محرک های بیولومینسانس بسیار جدید است، این کار در حال حاضر نتایج امیدوارکننده ای را به همراه داشته است. علوم اعصاب را از زمان اختراع آن در سال 2005 متحول کرد.

توموگرافی انسجام نوری

توموگرافی انسجام نوری

با مهندس شکوفه ساتری

میکروسکوپ همدوسی نوری 1700 نانومتری (OCM) در داخل بدن از مغز موش از طریق آماده سازی جمجمه نازک شده. (الف) تصاویر ساژیتال با شدت حداقل، یا «برش‌ها» با ضخامت‌های برآمدگی متفاوت در جهت تاجی، ساختار ساختاری قشر و جسم پینه‌ای (CC) را بدون برش بافت فیزیکی نشان می‌دهند. (ب) فروپاشی سیگنال OCM (پانل سمت چپ) و تصویر تاج متوسط (پانل میانی) لایه‌های زیر قشری را نشان می‌دهد. CC، جسم پینه ای; یا لایه شرقی راد، لایه رادیاتوم; DG، شکنج دندانه دار. 

میکروسکوپ با وضوح فوق العاده

 

تصویربرداری با وضوح فوق العاده از ساختارهای عصبی ظریف. (الف) مقایسه تصویر 2P در مقابل 2P-STED از خارهای دندریتی که در هیپوکامپ موش در داخل بدن تصویر شده است (اقتباس شده از مرجع 36). (ب) تصویر همبستگی STED و SMLM از مورفولوژی ستون فقرات دندریتی و آرایش فضایی پویا پروتئین های سیناپسی (آبی، مورفولوژی عصبی؛ سبز، پروتئین داربست PSD-95؛ مسیرهای رنگی، زیر واحد گیرنده GluA1)، نوار مقیاس 500 نانومتر (اقتباس از Ref. 37). (ج) تصویربرداری سایه با وضوح فوق‌العاده (SUSHI) از بافت مغز، که زمینه تشریحی یک نورون نشاندار شده با YFP را نشان می‌دهد (اقتباس شده از مرجع 38).

پاکسازی بافت برای تصویربرداری با توان بالا و وضوح بالا از ماکروبیومولکول ها

تجسم بیومولکول ها در بافت پاک شده (الف) تصویربرداری از واحد محیط نوروفیلامنت (NF-M) و آنتی‌بادی‌های زیرواحد 1 گیرنده GABAB در بافت پاک‌شده و منبسط شده. نوارهای مقیاس، [خطای پردازش ریاضی]. (ب) - (ج) پوشش تصاویر رنگ آمیزی شده چند دور. نوار مقیاس، [خطای پردازش ریاضی]. پانل (الف) از Ref اقتباس شده است. 32; پانل های (b) و (c) از Ref. 33.

پاکسازی بافت برای تصویربرداری با توان بالا و وضوح بالا از ماکروبیومولکول ها

پروتئین های فلورسنت

مهندسی پروتئین فلورسنت

تصویربرداری از ساختار میکروسکوپی مغز

تصویربرداری از ساختار میکروسکوپی مغز

 

گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری

گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری

ترجمه با مهندس ساتری

گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری

گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری

ترجمه با مهندس ساتری

ابزارهای نوروفوتونیک برای اندازه گیری و دستکاری میکروسکوپی

ابزارهای نوروفوتونیک برای اندازه گیری و دستکاری میکروسکوپی

الکتروفیزیولوژی و اپتوژنتیک

الکتروفیزیولوژی و اپتوژنتیک