Gişe rekorları kıran | Beynin şifresini çözmede ileriye doğru büyük bir adım mı? Pekin Üniversitesi, yeni nesil minyatür iki fotonlu floresan mikroskobu başarıyla geliştirdi
31 Mayıs'ta Pekin Üniversitesi, düzinelerce nöronu kaydetmek için bir hayvanın kafasının kraniyal penceresine takılabilen, sadece 2,2 gram ağırlığındaki yeni nesil minyatür iki fotonlu floresan mikroskopların başarılı bir şekilde geliştirildiğini duyuran bir basın toplantısı düzenledi. gerçek zamanlı olarak binlerce nöron. Bir sinirsel sinaps dinamik sinyali. Yanal çözünürlüğü 0,65 mikrona ulaşabilir ve görüntüleme kalitesi, ticari büyük ölçekli masaüstü iki fotonlu floresan mikroskoplarınkiyle karşılaştırılabilir. Şu anda alanında lider olan ABD Beyin Bilimi Programı'nın çekirdek ekibi tarafından geliştirilen minyatür geniş alan mikroskobundan çok daha üstün.
Minyatürleştirilmiş İki Fotonlu Floresan Mikroskobu Nedir?
Görüntüleme teknolojisi, yaşam bilimlerinin ilerlemesi için temel itici güçtür. Geçen yüzyıldan bu yana insanlar, X-ışını, holografi, CT, elektron mikroskobu, MRI manyetik rezonans görüntüleme ve ultra yüksek çözünürlüklü mikroskobik görüntüleme dahil olmak üzere çeşitli görüntüleme tekniklerini art arda keşfettiler.
Son yıllarda, yaşam bilimi araştırmalarının gelişme eğilimi, moleküller ve hücreler seviyesinden izole doku ve organlara ve in vivo anestezi uygulanmış hayvan hücresi mikroskopisi geçirmiş uyanık hayvanların moleküler ve hücresel dinamik sinyallerine kadar yükselmiştir. yani, uyanık bir yaşam durumunda moleküler düzeyde çözünürlüğü sağlamak için.
Araştırma ve geliştirme sürecini yöneten Akademisyen Cheng Heping ekibi, iki foton mikroskobunun bu zorluğu çözmenin önemli bir yönü olacağına inanıyor.
Akademisyen Cheng Heping (Lei Feng.com tarafından fotoğraflandı)
Akademisyen Cheng'e göre, iki foton mikroskopisi aslında yeni bir şey değil. 1930'larda M. Goeppert Mayer iki foton absorpsiyon geçişinin temel prensibini önerdi; 1960'larda lazerin icadı, mikroskobun doğrulanmasını ve uygulanmasını sağladı. iki foton etkisi; 1990'da Denk, Webb, 20 yıldan fazla bir süre önce ilk iki fotonlu mikroskobu icat etti.
Bugün, iki fotonlu floresan mikroskopisi, canlı hayvanlarda beyin görüntüleme için klasik yöntemdir. İki fotonlu görüntülemenin kendisi yüksek çözünürlük, yüksek verim (yüksek hız), yayılmazlık ve geniş görüntüleme derinliği özelliklerine sahiptir.Floresan proteinlerin ve flüoresan boyaların ve hücrelerdeki diğer belirteçlerin lokalizasyon ve ekspresyon teknolojisi ile birleştiğinde, Canlı organizmalarda kullanılır ve Hücre fonksiyonunun hala aktifken dinamik olarak gözlemlenmesi, bir kişinin hayvan beynindeki nöronal aktiviteyi fizyolojik bir durumda incelemesine izin verir.
İki Foton Görüntüleme Teknolojisinin Zorlukları
Akademisyen Cheng, iki fotonlu görüntülemenin doğru görme, derin görme ve küçük ışık hasarı gibi avantajlara sahip olmasına rağmen, canlı vücutların yanlış görüntülenmesi, yavaş tarama hızı ve taşınabilir olamayacak kadar büyük olması gibi dezavantajları da olduğuna inanıyor.
Daha önce sinirbilim alanında bilim adamları, küçük hayvanların davranış sürecindeki beyin aktivitelerini görüntülemek isteselerdi, çok eğlenceli ve teknolojik olarak gelişmiş bir yöntem kullandılar. Sanal gerçekliği iki fotonlu görüntüleme ile birleştiren küçük hayvanın başı sabitlendiğinde, gözlerinin önünde bir görüntü oluşturularak hayvanın kendisini "gerçek" bir ortamda zannetmesi ve hayvanın uzuvlarının kullanılması benzer bir koşu bandında veya farede Nöronların hayvan davranışındaki rolünü incelemek için gerçek aktivitesini simüle etmek için yuvarlanan bir top üzerinde hareket.
Ancak bu sanal gerçeklik artı sabit kafa görüntüleme yöntemi birçok bilim insanı tarafından sorgulanmıştır. Başın hareketsiz hale getirilmesinin, deney sırasında hayvanları fiziksel kısıtlamalara ve duygusal strese maruz bıraktığını ve sanal gerçeklik altında elde edilen sonuçların gerçek ortama eşdeğer olduğunu kanıtlamayı imkansız hale getirdiğini savunuyorlar. Dahası, ebeveynlik, çiftleşme ve kavga gibi birçok sosyal davranış, kafa hareketsizleştirme ile incelenemez. Hayvanların nöronlarını serbestçe hareket ederken doğrudan nasıl görüntüleyebilecekleri, sinirbilimcilerin henüz çözemediği nihai taleptir.
Bu nedenle, serbestçe hareket eden hayvanlara doğrudan bağlanabilen minyatür bir floresan mikroskobu geliştirmek, sorunu çözmenin anahtarı haline geldi. On yıldan fazla bir süredir, insanlar minyatür tek foton geniş alan mikroskopları ve 25 gram ağırlığında ve yavaş görüntüleme hızına sahip iki fotonlu mikroskoplar gibi aşamalardan geçtiler.
Yeni nesil minyatür iki fotonlu floresan mikroskopların performansı
Bu arka plana karşı, Pekin Üniversitesi ve PLA Askeri Tıp Bilimleri Akademisi disiplinler arası bir ekip kurdu.Üç yıl sonra, yeni nesil yüksek hızlı, yüksek çözünürlüklü minyatür iki fotonlu floresan mikroskopları başarıyla geliştirdiler ve farelerin beyinlerini elde ettiler. serbest davranış sırasında Nöronal ve sinaptik aktivitenin net, kararlı görüntüleri. Orijinal makale, Nature dergisinin bir alt sayısı olan Nature Methods'ta 29 Mayıs'ta çevrimiçi olarak yayınlandı.
Yeni nesil minyatür iki foton floresan mikroskobunun sadece 2,2 gram ağırlığında olduğu ve yanal çözünürlüğün 0,65 mikrona ulaşabileceği bildiriliyor.Görüntüleme kalitesi, ticari büyük ölçekli masaüstü iki fotonlu floresan mikroskoplarla karşılaştırılabilir. Çift eksenli simetrik yüksek hızlı mikro-elektromekanik sistem ayna tarama teknolojisini kullanarak, görüntüleme kare hızı 40HZ'ye (256*256 piksel) ulaştı ve çok alanlı rastgele tarama ve saniyede 10.000 satır satır tarama yeteneklerine sahip.
Ek olarak, 920 nm femtosaniye lazer ışığı iletebilen kendinden tasarımlı bir fotonik kristal fiber kullanan sistem, nöronal aktiviteyi gösteren floresan problar (GCaMP6 gibi) için mikroskobik iki foton mikroskopların etkin kullanımını ilk kez gerçekleştirir. beyin bilimi alanında en yaygın olarak kullanılanlardır. Aynı zamanda, esnek optik fiber demeti, floresan iletim optik kablosunun sürüklenmesi nedeniyle hayvanların aktivitelerinin ve davranışlarının bozulması sorununu çözen floresan sinyalini almak için kullanılır. Gelecekte, optogenetik ile kombinasyonun, yapıları ve işlevleri görüntülerken nöronların ve sinir devrelerinin aktivitesini hassas bir şekilde manipüle etmesi bekleniyor.
Araştırmanın önemi ve değeri
Minyatürleştirilmiş iki fotonlu floresan mikroskopi görüntüleme, hücrelerin ve hücre altı yapıların serbestçe hareket eden hayvanlarda görüntülenme şeklini değiştirir ve yiyecek arama, emzirme, platform atlama, dövüş, oyun, uyku gibi doğal davranış koşulları sırasında veya öğrenmeden önce, sırasında ve sonrasında kullanılabilir öğrenme, sinapslar, nöronlar, sinir ağları ve uzaktan bağlı beyin bölgeleri gibi çok ölçekli ve çok seviyeli dinamik değişikliklerin uzun vadeli gözlemi.
Sonuçlar, 2016 sonunda Amerikan Nörobilim Yıllık Konferansı'nda ve Mayıs 2017'de Cold Spring Harbor'da düzenlenen Asya Beyin Bilimi Sempozyumu'nda rapor edildikten sonra, birçok Nobel Ödülü sahibi dahil olmak üzere yurtiçi ve yurtdışındaki sinirbilimciler tarafından büyük övgü aldı.
Cold Spring Harbor Asya Beyin Bilimi Sempozyumu Başkanı, Los Angeles California Üniversitesi'nden ünlü Amerikalı nörobilimci Profesör Alcino J Silva, yorumlarında şunları yazdı:
Herhangi bir standartta, mikroskop, serbestçe hareket eden hayvanlarda hücresel ve hücre altı yapıları görme şeklimizi değiştirecek büyük bir teknolojik buluşu temsil ediyor. Nöronal ve dendrit görüntülemenin ötesinde kapılar açar. Sistem nörobiyolojisi, hücre popülasyonlarındaki tanımlanabilir hücresel ve hücre altı yapılardaki karmaşık biyolojik olayların görüntülenmesinin, karmaşık davranışları mümkün kılan evrimsel beyin devrelerinin daha derin bir anlayışını sağladığı yeni bir çağa giriyor. Bu olağanüstü buluşun bizi bu hedefe bir adım daha yaklaştırdığına hiç şüphe yok.
Şu anda, beyin biliminin gelişimi tüm hızıyla devam etmektedir.Çeşitli ülkelerdeki beyin bilimi programlarının temel yönlerinden biri, beyin bağlantı haritalarının ve fonksiyonel dinamik haritaların panoramik analizi için araştırma araçları oluşturmaktır. Bunların arasında, ölçek bariyerlerinin nasıl yıkılacağı ve mikroskobik nöron ve sinaptik aktivitenin genel beyin aktivitesi ve bireysel davranış bilgisi ile nasıl bütünleştirileceği, sahada çözülmesi gereken önemli bir zorluktur.
Bu cihazın başarılı bir şekilde ortaya çıkması, beyin bilimi araştırmaları için büyük önem taşıyor ve insanın beyni, yıldızları ve denizi keşfetme yolculuğu yeni bir aşamaya girdi.
Akademisyen Cheng Heping'in ekibiyle röportaj yapıldı (yerinde çekim Lei Feng.com tarafından yapıldı)
Araştırma ekibiyle röportaj yapıldı
Açılış konuşmasının ardından Akademisyen Cheng Heping ekibiyle Lei Feng.com ve diğer medya organları tarafından röportaj yapıldı.Lei Feng.com'un asıl niyeti değiştirmeden yaptığı röportaj metni aşağıdadır:
1. Beyin bilimi söz konusu olduğunda, çok sıcak yapay zekayı andırıyor olmalı. Yapay zeka araştırmalarının hangi yönlerinin ekibinizin şu ana kadar elde ettiği başarılarla ilişkilendirilebileceğini sorabilir miyim?
Akademisyen Cheng'in ekibi: Mevcut yapay zeka hala zayıf yapay zeka aşamasında.Güçlü yapay zeka elde etmek için hala biyolojik bir beyin gibi öğrenmek gerekiyor. En basit model organizma, yani bir şeyi öğrenme süreci ya da koşullu öğrenme, oluşması sadece yarım saat ya da bir saat sürer. Bu süreçte sinir devresine ne olduğunu bilmek imkansız ama minyatür aynalarımız ile belirli bir eylemi gerçekleştirmeyi öğrenme sürecinde her devrenin farklı seviyelerini görebiliyoruz.Özellikler değişiyor.
2. Mevcut mikroskop teknolojisi ile yeni geliştirdiğiniz teknoloji arasındaki fark nedir? Yeni araştırmanın gelişmiş doğası nereye yansıyor?
Akademisyen Cheng'in ekibi: Rakibimiz, American Brain Project'in başlatıcısı olan Profesör Mark Schnitzer, bu nedenle başlangıçta onların görüşlerine de başvurduk. Bizimle onlar arasındaki en büyük fark, aynı ağırlık için daha yüksek çözünürlüğe sahip olmamız ve daha derini görmemizdir.
3. Bu araştırma sonucunun insan beynindeki uygulama olasılığı nedir?
Akademisyen Cheng'in ekibi: Örneğin, cerrahinin klinik uygulamasında, el teknolojisini sağlayabildiğimiz için, bir kraniyotomi gerektiğinde tümörün sınırı ve beynin nöral aktivitesi görülebilmektedir.
4. Bu araştırmanın ticarileştirilmesi nasıl ilerliyor?
Akademisyen Cheng'in ekibi: Zaten araştırmamızla ilgilenen ve birlikte çalışmak isteyen iki Nobel Ödülü sahibi var. Bu teknolojinin hala çok popüler olduğunu gösteriyor. Az önce söylediğim gibi, bir yandan teknoloji, elde taşınabilir veya endoskopik bir tıbbi cihaza paketlenebilir ve diğer yandan, sinirbilimcilerin ihtiyaç duyduğu türden bir mikroskop, eğer bir fare, eğer bir çalışmanın başında bir tane taşımalıdır. Bu bir maymun Birkaç tane getirmemiz gerekebilir, bu yüzden pazarın hala çok büyük olduğunu düşünüyoruz.
Referanslar:
1. Mikro İki Fotonlu Floresan Mikroskop Dr. Chong Weijian
