A transparent miniscope-integrated ultrasound platform enables concurrent focused neuromodulation and wide-field imaging in freely moving mice
تقدم هذه الورقة SonoMod، وهو منصة مفتوحة المصدر وشفافة مدمجة مع الميكروسكوب الصغير (miniscope)، تتيح التعديل العصبي بالموجات فوق الصوتية المركزة وتصوير الكالسيوم واسع المجال بشكل متزامن في الفئران التي تتحرك بحرية، وذلك عبر استخدام نظام مبتكر لعدسات ومحولات طاقة شفافة بصرياً.
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
لفهم الدماغ، يحتاج العلماء غالباً إلى القيام بشيئين في آن واحد: يجب عليهم وخز جزء محدد من الدائرة العصبية بلطف لرؤية كيفية تفاعله، ويجب عليهم أيضاً مراقبة الشبكة بأكملة وهي تضيء استجابةً لذلك. لعقود من الزمن، كان الجمع بين هاتين المهمتين أمراً صعباً في حيوان حي ومتحرك. فالأدوات المستخدمة لتحفيز الدماغ، مثل الموجات فوق الصوتية المركزة، كانت تقليدياً ضخمة ومعتمة، مما يحجب الرؤية اللازمة للكاميرات لمراقبة نشاط الدماغ. وعلى العكس من ذلك، فإن الكاميرات الصغيرة المستخدمة لمراقبة نبضات الخلايا العصبية تتطلب عادةً أن يكون الحيوان ساكناً ورأسه مثبتاً في مكانه، مما يمنع دراسة السلوك الطبيعي. وهذا يخلق فجوة في المعرفة، تاركاً الباحثين غير قادرين على رؤية كيف تتغير دوائر الدماغ المعقدة في الوقت الفعلي عندما يكون الحيوان حراً في الحركة والاستكشاف والتفاعل مع عالمه.
لقد نجح فريق من الباحثين الآن في سد هذه الفجوة عبر ابتكار جهاز يسمح لهم بتحفيز ومراقبة الدماغ في وقت واحد في فأر يتحرك بحرية. لقد صنعوا سماعة رأس خفيفة الوزن وشفافة تجمع بين كاميرا مصغرة ومولد خاص للموجات فوق الصوتية. هذا الجهاز، الذي أطلقوا عليه اسم "سونو مود" (SonoMod)، يستقر على رأس الفأر مثل حقيبة ظهر صغيرة. وهو يستخدم الموجات الصوتية لتحفيز مناطق محددة في الدماغ بلطف، بينما تنظر الكاميرا عبر نفس النافذة الشفافة لتسجيل النشاط الناتج عبر كامل سطح الدماغ. يكمن الإنجاز في جعل الجزء المولد للصوت في الجهاز شفافاً، مما يسمح للضوء بالمرور عبره بسهولة كما يحدث مع الصوت، لكي لا تفقد الكاميرا رؤيتها أبداً.
جوهر هذا الاختراع هو محول طاقة شفاف للموجات فوق الصوتية، وهو قرص يولد موجات صوتية ولكنه مصنوع من مادة كريستالية شفافة بدلاً من المعدن أو السيراميك المعتاد المعتم. ولتركيز هذه الموجات الصوتية على نقطة دقيقة في عمق الدماغ، قام الباحثون بتثبيت عدسة مصممة خصيصاً أمام القرص. هذه العدسة رقيقة وواضحة جداً لدرجة أنها لا تسبب تشوشاً في الصورة للكاميرا. استخدم الباحثون تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد المتقدمة لتشكيل العدسة بدقة مجهرية، مما خلق نمطاً على سطحها يعمل على ثني الموجات الصوتية إلى شعاع ضيق دون تشويه الضوء المار عبرها. كما ملأوا الفجوة بين العدسة وجمجمة الفأر بزيت خاص يطابق طريقة انتقال كل من الضل والصوت عبر المواد، مما يضمن عدم تشتت أو فقدان الصورة أو الصوت.
تم تصميم المجموعة بأكملاء لتكون تركيبية وقابلة للاستبدال. فقد ابتكر الباحثون نسخاً مختلفة من العدسة يمكن استبدالها بسرعة، مما يسمح لهم باستهداف مناطق مختلفة من الدماغ دون الحاجة إلى بناء جهاز جديد لكل تجربة. إحدى نسخ العدسات تركز الصوت على القشرة الحركية الثانوية، وهي منطقة تشارك في تخطيط الحركة، بينما تستهدف نسخة أخرى القشرة خلف الوتدية، وهي مهمة للذاكرة والملاحة. الجهاز صغير بما يكفي بحيث لا يضيف سوى حوالي 3.2 جرام إلى وزن الفأر، وهو وزن يمكن للحيوان حمله بسهولة دون تغيير سلوكه الطبيعي. كما يتصل الجهاز بنظام كاميرا قياسي مفتوح المصدر مستخدم على نطاق واسع في علم الأعصاب، مما يجعل التكنولوجيا متاحة للمختبرات الأخرى دون الحاجة إلى معدات متخصصة وباهظة الثمن.
في اختباراتهم، وضع الباحثون الجهاز على فئران كانت مستيقظة وتتحرك بحرية. تأكدوا أولاً من أن الكاميرا يمكنها الرؤية بوضيد من خلال العدسة الشفافة، حيث تلتقط صوراً مفصلة للأوعية الدموية ونشاط الدماغ عبر مساحة واسعة، تغطي تقريباً كامل السطح العلوي للدماغ. ثم استخدموا الجهاز لإرسال نبضات مركزة من الموجات فوق الصوتية إلى أهداف محددة. وعندما حفزوا القشرة الحركية، سجلت الكاميرا على الفور طفرة في النشاط في تلك المنطقة المحددة، بينما ظلت أجزاء أخرى من الدماغ هادئة. أثبت هذا أن الصوت كان يصيب الهدف المقصود فقط ولم يحفز الدماغ بأكمله عن طريق الخطأ.
كما كشفت الدراسة أيضاً كيف يتواصل الدماغ عبر نصفيه. فعندما قام الباحثون بتحفيز القشرة الحركية في جانب واحد، رصدت الكاميرا إشارة انتقلت إلى المنطقة المطابقة في الجانب المقابل من الدماغ بعد جزء من الثانية. هذا النوع من الرؤية واسعة المجال هو أمر لم تستطع طرق التسجيل القديمة ذات النقطة الواحدة التقاطه، لأنها كانت تنظر إلى نقطة واحدة صغيرة في كل مرة. كما تحقق الباحثون من أن الجهاز آمن للحيوانات، حيث قاسوا ارتفاع درجة الحرارة الناتج عن الموجات الصوتية ووجدوا أنه ضئيل للغاية، وأقل بكثير من المستوى الذي قد يضر بأنسجة الدماغ.
من خلال الجمع بين التحفيز المركز والرؤية واسعة الزاوية للدماغ في حيوان يتحرك بحرية، توفر هذه المنصة الجديدة طريقة قوية لدراسة كيفية عمل الدوائر العصبية في الحياة الواقعية. فهي تسمة للعلماء لطرح أسئلة حول كيفية تأثير مناطق دماغية معينة على السلوك وكيف تنتقل الإشارات بين أجزاء الدماغ المختلفة، كل ذلك بينما يقوم الحيوان بما يجيده بامتياز: الحركة والاستكشاف. وقد أتاح الباحثون تصاميم الجهاز للجمهور، آملين أن يساعد هذا النهج المفتوح الآخرين في البناء على عملهم لمزيد من كشف أسرار الدماغ.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.