پژوهشگران با بکارگیری این تکنیک قادر خواهند بود فعالیت سلولهای مغزی را با استفاده از پالس‌های نوری کنترل کنند.
این اختراع که به تازگی در مجله «Nature Methods» معرفی شده است، در واقع یک دستگاه میکروپروب غشایی است که می‌تواند نورون‌های عصبی نوری متعددی را برمبنای الگوهای خاص در اندازه‌های میکرومتر تحریک کند و به طورهمزمان اثرات این برانگیختگی را روی میکرومدارهای عصبی دلخواه با دقت میلی ثانیه ضبط کند.
جون هی لی از محققان این پژوهش در آزمایشگاه دکتر نورمیکوز دانشکده مهندسی براون و یکی از نویسندگان ارشد مقاله در این باره می‌گوید: ما فکر می‌کنیم این یک روزنه امید است. توانایی پیچ خوردگی سریع مدارهای عصبی بر اساس الگوهای فضایی خاص و در همان زمان بازسازی دوباره این مدارهای بهم پیچیده از نظر ما یک پیشرفت قابل توجه است.
اولین بار در سال 2005، اپتوژنتیک توانایی پژوهشگران را برای فهمیدن عملکرد مغز در سطح عصبی افزایش داد. این تکنیک شامل مهندسی ژنتیک نورون‌ها برای نشان دادن حساسیت پروتئین‌های غشایی به نور است. پروتئین‌های غشایی برای نشان دادن پالس‌هایی از نور که می‌توانند عملکرد سلولهای خاص را افزایش یا کاهش دهند مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش در اصل یک توانایی بی سابقه به پژوهشگران داده تا بتوانند در زمان‌های خاص سلولهای خاص مغز را کنترل کنند. اما تا به امروز، انجام همزمان تحریک اپتوژنتیک وثبت سریع عملکرد مغز در نقاط مختلف با میکرومدارهای مورد نظر کار دشواری بود و انجام این کار نیازمند دستگاهی بود که هم بتواند الگوهای خاص از پالس‌های نور را تولید کند و هم بتواند الگوهای دینامیکی را از الگوهای نوری بازتابی تولید شده در نتیجه فعالیت سلولهای برانگیخته تشخیص دهد.
در گذشته تلاش‌هایی برای انجام این کار شده بود و نتیجه این تلاش‌ها تولید دستگاهی بود که در آن اجزای جداگانه‌ای برای انتشار نور و سنجش الکتریکی باهم همکاری می‌کردند. چنین تجهیزاتی از نظر فیزیکی بزرگ بودند و برای جاگذاشتن در داخل مغز مناسب نبودند و به دلیل فاصله قابل توجهی که بین دستگاه وسنسورها لزوما وجود داشت، ارتباطی که درفاصله بین برانگیختگی وثبت سیگنال‌ها به وجود می‌آمد به صورت مبهم بود.
دستگاه یکپارچه وفشرده آزمایشگاه نارمیکو، دارای ویژگی‌های منحصربه فردی است که از نیمه‌هادی‌ای با باند انرژی عریض به نام روی‌اکسید به دست آورده است. این نیمه‌هادی که به لحاظ نوری شفاف است در عین حال می‌تواند جریان الکتریکی را هدایت کند.
لی جون هی، به همراه دستیار پژوهشی، پروفسور ایلکر اوزدن و پروفسور یون کی یو سونگ از دانشگاه ملی سئول روش ساخت میکرویی ابداع کردند تا میکرومدارهای عصبی را به روشی بسازند که همه اجزای آن در داخل یک تراشه یکپارچه و به قطر چند میلی‌متر جا شود، همچنین الکترودهای نوری آن دراندازه 16 میکرومترباشند و هر یک از این الکترودها قادر به تولید پالس‌های نوری و سنجش جریان الکتریکی باشند. در دستگاه ابداع شده توسط این پژوهشگران آرایه‌ای از میکروالکترودها می‌توانند با میکرومدارهای عصبی متشکل از نورون‌های متعدد تزویج شوند.
توانایی تحریک و ثبت در سطح شبکه، در مقیاس مکانی و زمانی کار بسیار مهم و کلیدی است. در چنین شرایطی کنترل عملکرد مغز که قبلا توسط نورون‌ها کنترل می‌شد این بار توسط مدارهای عصبی کنترل می‌شود. به طور مثال زمانی که فرد دستش را حرکت می‌دهد این عملکرد در مغز او توسط سطوح شبکه‌ای خاصی کنترل می‌شود. این دستگاه جدید به پژوهشگران و مهندسان این امکان را می‌دهد تا از اوپتوژنتیک یا ژنتیک نوری به عنوان ابزاری قدرتمند برای تحریک عصبی استفاده کنند و درعین حال به عنوان وسیله‌ای برای خواندن عملکرد شبکه بهم خورده در نقاط متعدد، با دقت مکانی و زمانی بالا بهره ببرند.
پژوهشگران آزمایشات اولیه دستگاه را روی مدل‌های مغز موش انجام دادند. آنها به دنبال شدت‌های مختلفی از نور بودند که بتواند عملکرد شبکه را تحریک کند. آزمایشات اولیه نشان داد که افزایش توان نور منجر به بکارگیری مدارهای عصبی به صورت مجزا می‌شود و در نتیجه اتصال عملکردی در شبکه مورد هدف آشکار می‌شود.
اوزدن در این باره می‌گوید: ما از طیف وسیعی از توان نوری بزرگ (مرتبه سوم دامنه) استفاده کردیم و با انجام این کار از طیف وسیعی از شبکه‌های مرتبط پاسخ گرفتیم، به خصوص ما توانستیم الگوهای عملکردی را که به طور طبیعی در مغز وجود دارند تکرار کنیم و این کار به ما دیدگاه جدیدی در مورد چگونگی عملکرد اوپتوژنتیک در سطح شبکه ارائه داد.
گروه نورمیکو با همکاری آزمایشگاه سونگ در سئول تصمیم دارند تا با توسعه بیشتر این دستگاه امکان دسترسی بی‌سیم به آن را فراهم کنند. هدف بعدی آنها استفاده از نسل جدید ایمپلنت‌ها دربیش از صدها نقطه از نمونه‌‌های غیر انسانی است تا در صورت موفقیت روزی درانسان‌ها هم این روش را استفاده کنند.
No tags for this post.