Multi-region two-photon calcium imaging in freely moving animals
يقدم المؤلفون MINI2P-II، وهو نظام مجهر دقيق ثنائي اللون يعمل بتقنية الفوتونين وخفيف الوزن، يتيح تصوير الكالسيوم عالي الدقة في وقت واحد عبر مناطق دماغية متباعدة بعيداً في الحيوانات التي تتحرك بحرية، مما يكشف عن التنسيق العصبي المعقد بين المناطق أثناء السلوكيات الطبيعية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
إن الدماغ ليس مركز قيادة واحدًا ومعزولًا، بل هو شبكة واسعة من الأحياء البعيدة، حيث يتولى كل منها مهام محددة بينما تتواصل فيما بينها باستمرار. ولفهم كيفية ظهور السلوكيات المعقدة مثل الجري أو التسلق أو الغناء، يجب على العلماء مراقبة هذه الأحياء البعيدة وهي تعمل في انسجام. لعقود من الزمن، أجبرت الأدوات المتاحة لمراقبة هذا النشاط الباحثين على اختيار صعب؛ إذ كان بإمكانهم إما استخدام كاميرات صغيرة لمراقبة منطقة دماغية واحدة في حيوان يتحرك بحرية، أو استخدام الأقطاب الكهربائية للاستماع إلى مناطق عديدة في وقت واحد، لكن الأقططة كانت غالبًا ما تسبب تلفًا في الأنسجة أو تفقد القدرة على تتبع الخلايا نفسها بمرور الوقت. وتعد تقنية المجهر ذو الفوتونين المعيار الذهبي لرؤية الخلايا الفردية أثناء عملها، وهي تقنية تستخدم الضوء المركز للنظر في عمق الأنسجة الحية بوضوح مذهل. ومع ذلك، فإن المعدات المطلوبة لهذا التصوير عالي الجودة كانت تاريخيًا ثقيلة جدًا بحيث لا يستطيع حيوان صغير حملها، مما حد من هذه الرؤى التفصيلية للحيوانات التي تكون إما مخدرة أو مقيدة بآلة ثابتة.
لقد ابتكر فريق من الباحثين الآن حلاً يكسر حاجز الوزن هذا، مما يسمح بمراقبة الأحياء الدماغية البعلة وهي تعمل معًا في الوقت الفعلي بينما يتحرك الحيوان بحرية. فقد صنعوا جهازًا جديدًا، وهو مجهر مصغر يزن 1.1 جرامًا فقط، وهو خفيف بما يكفي ليحمله فأر أو حتى طائر مغرد صغير دون إعاقة سلوكه الطبيعي. ومن خلال تركيب جهازي مجهر من هذه النوعية على حيوان واحد، تمكن العلماء من التسجيل من منطقتين دماغيتين منفصلتين في آن واحد ولأول مرة بهذا المستوى من التفصيل. وقد أثبتوا أن هذا الإعداد يعمل لدراسة كيفية تنسيق نصفي الدماغ أثناء المهام البدنية الصعبة، وكيف تقوم مناطق دماغية متقاربة بترميز المعلومات المكانية، وكيف تتعلم أدمغة الطيور الصغيرة الغناء. يفتح هذا العمل نافذة على النشاط المنسق للدوائر العصبية الموزعة، مما يظهر أن المحادثات المعقدة للدماغ يمكن ملاحظتها في سياقها الكامل والطبيعي.
إن جوهر هذا الإنجاز يكمكم في تصميم المجهر الجديد نفسه، والذي يطلق عليه الباحثون اسم MINI2P-II. فالمحاولات السابقة لتقليص أحجام المجاهر ذات الفوتونين غالبًا ما كانت تؤدي إلى فقدان جودة الصورة أو القدرة على الرؤية في عمق الدماغ. وقد تغلب الجهاز الجديد على ذلك من خلال إعادة التفكير في كيفية انتقال الضوء عبر الأداة؛ فبدلاً من استخدام العديد من العدسات والمرايا المنفصلة، دمج المصممون عدة وظائف في مكونات فردية وطووا مسارات الضوء بحيث تشغل نفس المساحة الفيزيائية. كما استبدلوا الأجزاء المعدنية الثقيلة بمواد من ألياف الكربون خفيفة الوزن، واستخدموا نوعًا جديدًا من كابلات الألياف الضوئية التي تحافظ على استقرار ضوء الليزر حتى عندما يلتوي الحيوان أو يدور. والنتيجة هي جهاز يقل وزنه عن نصف وزن سابقيه، ولكنه يوفر صورًا أكثر حدة، ومجال رؤية أوسع، والقدرة على الرؤية في أعماق أنسجة الدماغ. والأهم من ذلك، أن الجهاز معياري، مما يعني إمكانية استبدال أجزاء مختلفة أو ترقيتها دون الحاجة إلى إعادة بناء النظام بأكمله.
ولإثبات أن هذا الجهاز خفيف الوزن يمكنه التقاط نشاط الدماغ أثناء الحركة القوية، اختبره الباحثون على فئران تؤدي مهمة بدنية صعبة. فقد دربوا الفئران على تسلق سلم رأسي للوصول إلى مكافأة غذائية، وهو سلوك يتطلب تنسيقًا دقيقًا بين الأرجل الأمامية والخلفية. وباستخدام مجهريْن من طراز MINI2P-II، سجلوا من القشرة الحركية على جانبي الدماغ الأيمن والأيسر في وقت واحد. وكشفت البيانات أن جانبي الدماغ لا يكتفيان بمجرد محاكاة بعضهما البعض؛ فخلال عملية التسلق، كان النشاط في الجانب الأيمن من الدماغ يسبق النشاط في الجانب الأيسر بجزء من الثانية باستمرار، مما يشير إلى تسلسل محدد للأوامر لهذا التحرك المعقد. علاوة على ذلك، عندما نظروا إلى الخلايا الفردية بدلاً من مجرد متوسط النشاط، وجدوا أن مجموعات محددة من الخلايا العصبية في كلا الجانبين من الدماغ تنبض معًا في عناقيد متراصة أثناء التسلق، بينما تنبض مجموعات أخرى بشكل متعارض. وكانت هذه الأنماط المعقدة من التنسيق غير مرئية عند النظر إلى جانب واحد فقط من الدماغ أو عند حساب متوسط نشاط جميع الخلايا معًا.
كما أظهر الباحثون أنه يمكن استخدام هذه التكنولوجيا لدراسة مناطق الدماغ القريبة جدًا من بعضها البعض، وهي مهمة كانت مستحيلة سابقًا باستخدام مجهرين منفصلين لأن الأجهزة كانت ستصطدم ماديًا برأس الحيوان. فقد طوروا تجميعة بصرية جديدة، وهي في الأساس "بيريسكوب" (منظار) صغير مصنوع من عدسات ومناشور متخصصة، يقوم بإزاحة رؤية المجهر جانبًا وإلى الأسفل. وقد سمح لهم هذا بتركيب مجهرين على جانب واحد من رأس الفأر مع الاستمرار في النظر إلى منطقتين دماغيتين متجاورتين مختلفتين. وباستخدام هذا الإعداد، سجلوا من القشرة المخططة الخلفية (retrosplenial cortex) والقشرة الجدارية الخلفية (posterior parietal cortex)، وهما منطقتان تُعرفان بمساعدة الحيوانات على التنقل في بيئتها. ووجدوا أنه بينما احتوت كلتا المنطقتين على خلايا تنبض عندما يكون الحيوان بالقرب من جدار، إلا أن الخلايا في القشرة المخططة الخلفية كانت أكثر عرضة للنبض عندما يكون الجدار على الجانب الأيسر للحيوان، في حين أظهرت خلايا القشرة الجدارية استجابة أكثر توازنًا تجاه الجدران على كلا الجانبين. وكان من المستحيل اكتشاف هذا الفرق الدقيق في كيفية رسم هاتين المنطقتين لخريطة العالم دون التسجيل من كلتا المنطقتين في آن واحد في نفس الحيوان.
أخيرًا، سمحت الخفة الشديدة للجهاز للفريق بتوسيع هذه الدراسات لتشمل حيوانات أصغر سنًا ومراحل نمو أصغر. فقد استخدموا المجاهر بنجاح للتسجيل من أدمغة طيور الزيبرا فينتر (zebra finches)، وهي نوع من الطيور المغردة الصغيرة. وفي الطيور البالغة، لاحظوا أن خلايا الدماغ المسؤولة عن التحكم في الغناء ظلت هادئة بينما يتفاعل الطائر مع الأنثى، لكنها اندفعت في نشاطها بمجرد أن يبدأ الطائر في الغناء. كما سجلوا من طائر يافع لا يزال يتعلم الغناء؛ وفي هذه الطيور الصغيرة، كانت خلايا الدماغ نشطة حتى عندما لم يكن الطائر يغني، مما يشير إلى حالة من الممارسة والتعلم المستمرين. كان هذا المستوى من التفصيل في طائر يافع يتحرك بحرية غير قابل للتحقيق سابقًا، حيث كانت المجاهر الأقدم والأثقل ستكون عبئًا كبيرًا على الحيوان الصغير.
إن نجاح هذا المشروع يثبت أن القيود المتعلقة بالوزن والحجم في أدوات علم الأعصاب ليست عقبات لا يمكن تجاوزها. فمن خلال الجمع بين مجهر أعيد تصميمه جذريًا وملحقات بصرية ذكية، قدم الباحثون طريقة جديدة لمراقبة عمل الدماغ. لقد أظهروا أن السلوكيات المعقدة للدماغ تنشأ من محادثات ديناميكية ومنسقة بين مناطق بعيدة وأخرى قريبة، وهي محادثات يمكن الآن مراقبتها بينما تتحرك الحيوانات بحرية في عالمها. يقدم هذا النهج عدسة قوية لفهم كيفية تطور الدوائر العصبية، وكيفية تعلمها، وكيفية فشلها، وكل ذلك دون تعطيل السلوكيات الطبيعية التي يسعى العلماء لفهمها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.