تصویربرداری از مغز بدون نیاز به بی‌هوشی!

01

از 03

فناوری نوین تصویربرداری از مغز با نام MD-FSS

دانشمندان دانشگاه علم و فناوری هنگ‌کنگ موفق به توسعه سامانه‌ای پیشرفته به نام Multiplexing Digital Focus Sensing and Shaping یا به اختصار MD-FSS شده‌اند؛ فناوری‌ که توسط تیمی به سرپرستی پروفسور «چو جیانان» از دپارتمان مهندسی الکترونیک و کامپیوتر این دانشگاه طراحی شده است. فناوری MD-FSS بر پایه دستاورد پیشین چو، یعنی ALPHA-FSS (حس‌ و شکل‌دهی فوکوس با آشکارسازی فاز قفل‌شده آنالوگ) بنا شده است؛ پژوهشی که در سال ۲۰۲۲ در نشریه معتبر Nature Biotechnology منتشر شد. هرچند ALPHA-FSS توانست دقتی در حد تصویربرداری زیرسلولی به‌دست آورد، اما سرعت پایین آن مانع از ثبت لحظه‌ای فعالیت‌های مغزی در حیوانات بیدار می‌شد.

از سوی دیگر، ضخامت و چگالی جمجمه همواره چالشی بزرگ برای تصویربرداری از مغز بوده است، چرا که پراکندگی نور باعث افت وضوح و از بین رفتن جزئیات می‌شود. این محدودیت‌ها سال‌ها دست دانشمندان را از مشاهده‌ ساختارهای عمیق مغز کوتاه نگه داشته بود. تیم تحقیقاتی برای عبور از این مانع، MD-FSS را به گونه‌ای طراحی کرده‌اند که فرایند اندازه‌گیری «تابع پخش نقطه‌ای» (PSF) (تصویر سه‌بعدی یک نقطه میکروسکوپی زیر میکروسکوپ) را به‌ طرز چشمگیری تسریع کند.

در این سیستم، چند پرتو لیزری ضعیف در کنار یک پرتو اصلی قوی به‌کار گرفته می‌شوند. هر پرتو حامل داده‌های فضایی منحصربه‌فردی است و در فرکانس‌های مختلف عمل می‌کند. با بهره‌گیری از روش «دمودولاسیون فاز دیجیتال»، که سیگنال‌های ضعیف را از پس‌زمینه‌ پرنویز جدا می‌سازد، MD-FSS قادر است داده‌های PSF را در کمتر از یک‌دهم ثانیه ثبت کند، که ده برابر سریع‌تر از فناوری‌های پیشین است. دستاورد نهایی، تصاویری بسیار شفاف و دقیق از فعالیت مغزی است، که با سرعت واقعی رخدادها هم‌گام می‌شود.

حتما بخوانید: ساخت دستگاه تصویربرداری مینیاتوری برای مشاهده لحظه ‌ای فعالیت ‌های مغزی

برای مطالعه بیشتر: تصویربرداری دقیق اعماق مغز با تکنیک جدید نوری

02

از 03

تصویربرداری مغزی دقیق‌تر، سریع‌تر و عمیق‌تر

پژوهشگران با ترکیب فناوری MD-FSS و میکروسکوپ چندفوتونی، سامانه‌ای نوآورانه به نام «میکروسکوپ تطبیقی سه‌فوتونی» طراحی کرده‌اند؛ فناوری‌ که می‌تواند حرکات سلول‌های ایمنی را دنبال کند، جریان خون را در باریک‌ترین رگ‌های مغزی اندازه بگیرد و فعالیت نورون‌ها را هنگام تفکر و درک حسی زیر نظر گیرد.

پروفسور «چو» در توضیح این دستاورد گفت: «چنین مشاهداتی، با این سطح از جزئیات، به‌ صورت زنده و تقریبا غیرتهاجمی، تا پیش از این در حیوانات بیدار غیرممکن بود. اما اکنون با فناوری اپتیکی جدیدی که قادر است خطاهای نوری را به‌سرعت اصلاح کند، می‌توان به تصویربرداری با وضوح بالا بدون هیچ آسیبی به مغز دست یافت.»

وی تصریح کرد: «امروز می‌توانیم دینامیک نورون‌ها، سلول‌های گلیال و عروقی را با دقتی در حد زیرسلولی و در وضعیت طبیعی فیزیولوژیکی ثبت کنیم، بدون آنکه اثرات بی‌هوشی باعث تحریف نتایج شود. این موفقیت، راهی تازه برای درک عملکرد واقعی مغز، چه در سلامت و چه در بیماری، می‌گشاید.» توان تصویربرداری این سیستم صدها تا هزاران برابر فراتر از دقت EEG یا سی‌تی‌اسکن است. این فناوری به دانشمندان اجازه می‌دهد که با وضوحی خیره‌کننده، تک‌تک نورون‌ها، سلول‌های ایمنی و کوچک‌ترین مویرگ‌های مغزی را ببینند.

03

از 03

آینده علوم اعصاب

پلتفرم MD-FSS با نگاهی آینده‌نگر طراحی شده است؛ نسخه‌ فعلی آن از هشت پرتو لیزر بهره می‌برد، اما قابلیت گسترش به ده‌ها یا حتی صدها پرتو را دارد. این مقیاس‌پذیری، زمینه‌ساز سرعت بیشتر و دامنه‌ تصویربرداری وسیع‌تر در پژوهش‌های مغزی آینده خواهد بود، که گامی بلند در مسیر باز کردن رازهای ناشناخته‌ ذهن انسان است.

پروفسور «چو» تاکید کرد: «آنچه امروز به آن دست یافته‌ایم، تنها یک بهبود فنی نیست، بلکه یک جهش واقعی در فناوری تصویربرداری مغز است. ما اکنون سکویی چندمنظوره در اختیار داریم که هم قابل گسترش برای تصویربرداری سریع‌تر است، هم می‌تواند نواحی وسیع‌تری از مغز را پوشش دهد و هم با آزمایش‌های عملکردی تلفیق شود.»

وی بیان کرد: «این نوآوری به پژوهشگران علوم اعصاب امکان می‌دهد تا به بررسی دقیق رویدادهای سریع مغزی، تعاملات پیچیده‌ شبکه‌های عصبی و مسیر پیشرفت بیماری‌ها بپردازند؛ حوزه‌هایی که پیش‌تر از نظر فنی دست‌نیافتنی بودند. این فناوری می‌تواند مسیر کشف‌های تحول‌آفرین در زمینه‌ یادگیری، حافظه، سلامت روان و اختلالات عصبی را هموار کند.»

نتایج کامل این تحقیق در نشریه‌ معتبر Nature Communications منتشر شده است.