A transparent miniscope-integrated ultrasound platform enables concurrent focused neuromodulation and wide-field imaging in freely moving mice
यह शोध पत्र सोनोमोड (SonoMod) को प्रस्तुत करता है, जो एक ओपन-सोर्स, पारदर्शी मिनिस्कोप-एकीकृत प्लेटफॉर्म है जो एक नवीन ऑप्टिकली ट्रांसपेरेंट ट्रांसड्यूसर और लेंस प्रणाली का उपयोग करके स्वतंत्र रूप से घूमते हुए चूहों में समवर्ती फोकस्ड अल्ट्रासाउंड न्यूरोमॉड्यूलेशन और वाइड-फील्ड कैल्शियम इमेजिंग को सक्षम बनाता है।
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मस्तिष्क को समझने के लिए, वैज्ञानिकों को अक्सर एक साथ दो काम करने की आवश्यकता होती है: उन्हें यह देखने के लिए कि तंत्रिका सर्किट (न्यूरल सर्किट) कैसे प्रतिक्रिया देता है, उसके एक विशिष्ट हिस्से को धीरे से उत्तेजित करना चाहिए, और उन्हें प्रतिक्रिया के रूप में पूरे नेटवर्क को जगमगाते हुए देखना चाहिए। दशकों तक, इन दोनों कार्यों को एक जीवित, चलते-फिरते जानवर में संयोजित करना कठिन रहा है। मस्तिष्क को उत्तेजित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरण, जैसे कि फोकस्ड अल्ट्रासाउंड, पारंपरिक रूप से भारी और अपारदर्शी होते हैं, जो कैमरे द्वारा मस्तिष्क की गतिविधि देखने के लिए आवश्यक दृश्य को बाधित करते हैं। इसके विपरीत, न्यूरॉन्स के सक्रिय होने को देखने के लिए उपयोग किए जाने वाले छोटे कैमरे आमतौर पर यह मांग करते हैं कि जानवर स्थिर रहे और उसका सिर एक जगह थमा हुआ हो, जिससे स्वाभाविक व्यवहार का अध्ययन करना असंभव हो जाता है। यह ज्ञान के एक अंतराल को जन्म देता है, जिससे शोधकर्ता यह देखने में असमर्थ रह जाते हैं कि जब कोई जानवर स्वतंत्र रूप से घूमने, अन्वेषण करने और अपने परिवेश के साथ अंतःक्रिया करने के लिए स्वतंत्र होता है, तो मस्तिष्क के जटिल सर्किट वास्तविक समय में कैसे बदलते हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस अंतर को पाट दिया है और एक ऐसा उपकरण बनाया है जो उन्हें एक घूमते हुए चूहे के मस्तिष्क को एक साथ उत्तेजित करने और देखने की अनुमति देता है। उन्होंने एक हल्का, पारदर्शी हेडसेट बनाया है जो एक लघु कैमरे को एक विशेष अल्ट्रासाउंड जनरेटर के साथ जोड़ता है। यह उपकरण, जिसे उन्होंने 'सोनोमोड' (SonoMod) नाम दिया है, चूहे के सिर पर एक छोटे बैकपैक की तरह बैठता है। यह ध्वनि तरंगों का उपयोग करके मस्तिष्क के विशिष्ट क्षेत्रों को धीरे से उत्तेजित करता है जबकि एक कैमरा उसी पारदर्शी खिड़की के माध्यम से देखता है ताकि मस्तिष्क की पूरी सतह पर होने वाली गतिविधि को रिकॉर्ड किया जा सके। इस सफलता का आधार उपकरण के ध्वनि-उत्पन्न करने वाले हिस्से को पारदर्शी बनाना है, जिससे प्रकाश भी उतनी ही आसानी से गुजर सके जितना कि ध्वनि, ताकि कैमरा अपना दृश्य न खोए।
इस आविष्कार का मुख्य केंद्र एक पारदर्शी अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर है, जो एक डिस्क है जो ध्वनि तरंगें उत्पन्न करती है लेकिन सामान्य धातु या सिरेमिक के बजाय एक स्पष्ट क्रिस्टल सामग्री से बनी है। इन ध्वनि तरंगों को मस्तिष्क के गहराई में एक सटीक स्थान पर केंद्रित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने डिस्क के सामने एक कस्टम-निर्मित लेंस लगाया है। यह लेंस इतना पतला और स्पष्ट है कि यह कैमरे के लिए छवि को धुंधला नहीं करता है। शोधकर्ताओं ने लेंस को सूक्ष्म सटीकता के साथ आकार देने के लिए उन्नत 3D प्रिंटिंग का उपयोग किया, जिससे इसकी सतह पर एक ऐसा पैटर्न बनाया गया जो प्रकाश को विकृत किए बिना ध्वनि तरंगों को एक संकीर्ण बीम में मोड़ देता है। उन्होंने लेंस और चूहे की खोपड़ी के बीच के अंतर को एक विशेष तेल से भरा है जो प्रकाश और ध्वनि दोनों के यात्रा करने के तरीके से मेल खाता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि न तो छवि और न ही ध्वनि बिखरती या लुप्त होती है।
संपूर्ण असेंबली को मॉड्यूलर और इंटरचेंजेबल (परिवर्तनीय) बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। शोधकर्ताओं ने लेंस के विभिन्न संस्करण बनाए हैं जिन्हें जल्दी से बदला जा सकता है, जिससे प्रत्येक प्रयोग के लिए नया उपकरण बनाए बिना विभिन्न मस्तिष्क क्षेत्रों को लक्षित किया जा सकता है। लेंस का एक संस्करण ध्वनि को सेकेंडरी मोटर कॉर्टेक्स पर केंद्रित करता है, जो गति की योजना बनाने में शामिल एक क्षेत्र है, जबकि दूसरा संस्करण रेट्रोस्प्लेनियल कॉर्टेक्स को लक्षित करता है, जो स्मृति और नेविगेशन के लिए महत्वपूर्ण है। उपकरण इतना छोटा है कि यह चूहे के वजन में केवल लगभग 3.2 ग्राम जोड़ता है, जो एक ऐसा वजन है जिसे जानवर बिना अपने स्वाभाविक व्यवहार को बदले आसानी से वहन कर सकता है। यह एक मानक ओपन-सोर्स कैमरा सिस्टम से जुड़ता है जो तंत्रिका विज्ञान (न्यूरोसाइंस) में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, जिससे यह तकनीक बिना किसी विशेष, महंगी सामग्री की आवश्यकता के अन्य प्रयोगशालाओं के लिए सुलभ हो जाती है।
अपने परीक्षणों में, शोधकर्ताओं ने इस उपकरण को जागृत और स्वतंत्र रूप से घूमते हुए चूहों पर लगाया। उन्होंने पहले पुष्टि की कि कैमरा पारदर्शी लेंस के माध्यम से स्पष्ट देख सकता है, जो रक्त वाहिकाओं और मस्तिष्क की गतिविधि की विस्तृत छवियां कैप्चर करता है, जो मस्तिष्क की लगभग पूरी ऊपरी सतह को कवर करता है। इसके बाद उन्होंने विशिष्ट लक्ष्यों को लक्षित करने के लिए डिवाइस का उपयोग करके केंद्रित अल्ट्रासाउंड की लहरें भेजीं। जब उन्होंने मोटर कॉर्टेक्स को उत्तेजित किया, तो कैमरे ने तुरंत उस विशिष्ट क्षेत्र में गतिविधि का उछाल दर्ज किया, जबकि मस्तिष्क के अन्य हिस्से शांत रहे। इससे सिद्ध हुआ कि ध्वनि केवल इच्छित लक्ष्य पर ही लग रही थी और अनजाने में पूरे मस्तिष्क को उत्तेजित नहीं कर रही थी।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि मस्तिष्क अपने दोनों हिस्सों के बीच कैसे संचार करता है। जब शोधकर्ताओं ने एक तरफ के मोटर कॉर्टेक्स को उत्तेजित किया, तो कैमरे ने एक संकेत का पता लगाया जो एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से के भीतर मस्तिष्क के दूसरी ओर के मिलान वाले क्षेत्र तक पहुंचा। इस तरह का वाइड-फील्ड दृश्य ऐसी चीज़ है जो पुराने, सिंगल-पॉइंट रिकॉर्डिंग तरीकों में नहीं मिल सकता था, क्योंकि वे एक समय में केवल एक छोटे से बिंदु को देखते हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि क्या उपकरण जानवरों के लिए सुरक्षित था, जिसमें उन्होंने ध्वनि तरंगों के कारण होने वाले तापमान परिवर्तन को मापा और पाया कि यह नगण्य था, जो मस्तिष्क के ऊतकों को नुकसान पहुँचाने वाले स्तर से बहुत नीचे था।
फोकस्ड उत्तेजना को मस्तिष्क के वाइड-एंगल दृश्य के साथ जोड़कर, यह नया प्लेटफॉर्म वास्तविक जीवन में तंत्रिका सर्किट कैसे कार्य करते हैं, इसका अध्ययन करने का एक शक्तिशाली तरीका प्रदान करता है। यह वैज्ञानिकों को यह पूछने की अनुमति देता है कि विशिष्ट मस्तिष्क क्षेत्र व्यवहार को कैसे प्रभावित करते हैं और संकेतों का विभिन्न हिस्सों के बीच कैसे संचार होता है, और यह सब तब होता है जब जानवर वही करता है जिसमें वह सर्वश्रेष्ठ है: घूमना और अन्वेषण करना। शोधकर्ताओं ने उपकरण के डिजाइनों को जनता के लिए उपलब्ध कराया है, इस उम्मीद में कि यह खुला दृष्टिकोण दूसरों को उनके काम को आगे बढ़ाने और मस्तिष्क के रहस्यों को सुलझाने में मदद करेगा।
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