Combining ultra-flexible electrodes with two-photon imaging to illuminate brain-wide neural dynamics
تقدم هذه الورقة نهجاً مشتركاً يستخدم أقطاباً كهربائية فائقة المرونة مزروعة بشكل مزمن وتصوير الكالسيوم ثنائي الفوتون لتسجيل النشاط العصبي تحت القشري والقشري في الفئران في آن واحد، مما يتيح استقصاء الديناميكيات على نطاق الدماغ عبر حالات الدماغ البطيئة وأحداث الارتعاشات السريعة.
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
تخيل الدماغ كمدينة ضخمة وصاخبة لا تنام أبداً. لفهم كيفية عمل هذه المدينة، يحتاج العلماء إلى الاستماع إلى المحادثات التي تجري في أحياؤها المختلفة. لفترة طويلة، امتلك الباحثون طريقتين رئيسيتين للتنصت. كانت إحدى الطريقتين تشبه وضع ميكروفون فائق السرعة ومتطور تقنياً في زاوية شارع محدد؛ حيث يمكنه سماع كل كلمة تُنطق (نبضات الخلايا العصبية الفردية) بسرعة مذهلة، لكنه كان صلباً ولا يمكنه سوى الاستماع إلى منطقة صغيرة واحدة في كل مرة. أما الطريقة الأخرى فكانت تشبه استخدام كاميرا طائرة بدون طيار (درون) عملاقة تعمل بالتصوير البطيء لمراقبة المدينة بأكملها من الأعلى؛ حيث يمكنها رؤية حركة المرور وحالة أحياء بأكملها (مجموعات من الخلايا)، بل وحتى تحديد من يقود أي نوع من السيارات (أنواع خلايا معينة)، لكنها لم تكن قادرة على سماع الكلمات الفردية التي تُنطق.
التحدي الكبير هو أن هاتين الأداتين لم تندمجوا جيداً معاً. كانت الميكروفونات الصلبة ضخمة جداً ويصعب وضعها دون حجب رؤية كاميرا الدرون، كما أنها غالباً ما كانت تسبب "تشويشاً" أو تداخلاً عندما تسلط الكاميرا أضواءها الساطعة عليها. وهذا يعني أن العلماء كان عليهم الاختيار: إما الاستماع إلى المحادثات السريعة والمفصلة في الأجزاء العميقة من المدينة، أو مراقبة الحالة العامة البطيطة للسطح، ولكن نادراً ما يمكن القيام بالاثنين في وقت واحد. إن فهم كيف تتحدث الأجزاء العميقة والخفية من الدماغ مع أجزاء السطح أمر بالغ الأهمية، لأن ذلك يساعدنا في معرفة كيف نتعلم، وكيف نتذكر الأشياء، ولماذا قد تمر أدمغتنا أحياناً بحالات مرضية.
في هذه الدراسة، بنى فريق من الباحثين أداة جديدة تماماً لحل هذه المشكلة. لقد ابتكروا "أقطاباً كهربائية تشبه المجسات فائقة المرونة" (UFTEs)، وهي تشبه خيوطاً رفيعة وناعمة ومرنة للغاية مصنوعة من مادة خاصة. فكر فيها كخيوط صيد شبحية وغير مرئية يمكن إنزالها بلطف في الأنفاق العميقة والمظلمة للدماغ دون إزعاج المياه. ولأنها ناعمة ورفيعة للغاية، فهي لا تحجب رؤية كاميرا الدرون، كما أنها هادئة جداً لدرجة أن الأضواء الساطعة من الكاميرا لا تسبب أي ضجيج أو تشويش على التسجيل.
اختبر الباحثون هذا الإعداد الجديد على فئران كانت مستيقظة وتتحرك. قاموا بزرع هذه الخيوط المرنة في أعماق الدماغ للاستماع إلى المهاد (محطة ترحيل)، والحصين (مركز الذاكرة)، والقشرة المخية (الطبقة الخارجية حيث يحدث التفكير). وفي الوقت نفسه، استخدموا مجهراً ثنائي الفوتون (كاميرا الدرون) لمراقبة العصبونات في الطبقة الخارجية من الدماغ، والتي تم تعديلها وراثياً لتتوهج عند نشاطها.
كانت النتائج مبهرة. بقيت الخيوط المرنة في مكانها لأسابب، مما سمح للفريق بتتبع نفس الخلايا العصبية الفردية مراراً وتكراراً. ووجدوا أن هذه الخيوط لم تنتج أي تداخل تقريباً من ضوء المجهر؛ فقد كان "التشويش" ضئيلاً جداً (حوالي 3.7 ميكرو فولت)، لدرجة أنه كان غير مرئي تقرياً مقارنة بإشارات الدماغ الحقيقية. سمح لهم هذا برؤية الدماغ بطريقة لم يتمكنوا منها من قبل: سماع الدردشة السريعة والدقيقة لخلايا الدماغ العميقة بينما يشاهدون في الوقت نفسه الرقصة البطيئة والمتوهجة للخلايا السطحية.
باستخدام هذه الرؤية المزدوجة، اكتشف الفريق كيف تتحدث أجزاء الدماغ المختلفة مع بعضها البعض اعتماداً على ما يفعله الفأر. فعندما كان الفأر يركض أو في حالة تأهب، بدت مناطق الدماغ العميقة والمناطق السطحية متزامنة بطريقة محددة ومنخفضة الأبعاد، تماماً مثل قائد يقود أوركسترا. ومع ذلك، عندما كان الفأر في حالة راحة، تغيرت طبيعة المحادثة. كما نظروا أيضاً في "التموجات"، وهي نبضات سريعة جداً من النشاط في مركز الذاكرة. ووجدوا أنه خلال هذه التموجات، يصبح مركز الذاكرة مثاراً، لكن محطة الترحيل والسطح غالباً ما يهدآن. ومن المثير للاهتمام أن الخلايا التي هدأت أثناء هذه التموجات هي نفسها التي كانت تثار عندما كان الفأر يركض.
لا تدعي هذه الدراسة أنها حلت جميع أسرار الدماغ، لكنها تشير إلى أنه من خلال الجمع بين أداتي الاستماع والمراقبة القويتين هاتين، يمكننا أخيراً رؤية كيف يعمل الجزء العميق والسطحي من الدماغ كفريق واحد. لقد أظهر الباحثون أن هذه الطريقة الجديدة مستقرة وموثوقة، وتفتح الباب لدراسة كيف تتغير الشبكات الواسعة في الدماغ أثناء التعلم أو المرض، وكل ذلك دون الضجيج والارتباك الذي كان يعيق العمل سابقاً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.