تصویربرداری سه‌‌بعدی از مغز با جدیدترین فناوری دانشمندان

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا به نقل ازاینترستینگ اینجینیرینگ، «مغز انسان» با داشتن ۱۰۰ میلیارد نورون و ۲۰۰ میلیارد سلول، یکی از پیچیده‌ترین سیستم‌های کائنات است و با هر پیشرفتی در اندیشه، مغز نیز پیچیده‌تر می‌شود. هر نورون ده‌ها هزار ارتباط عملکردی منحصر به فرد با نورون‌های دیگر ایجاد می‌کند. البته هیچ دو مغزی شبیه هم نیستند و مغز‌ها تغییر می‌کنند.

اگرچه گام‌های مهمی برای شناخت مغز برداشته شده است، اما بیشتر این کاوش‌ها از طریق برش‌های فیزیکی بوده تا مغز را باز کرده و از آن عکس بگیرند. با این حال، به دلیل پیچیدگی، دانشمندان علوم اعصاب نتوانسته بودند به درون یک مغز «دست نخورده» نفوذ کنند. اما اکنون گروهی از پژوهشگران دانشگاه فناوری ماساچوست MIT موفق شده اند فناوری‌هایی برای این کار ارائه دهند.

محققان موسسه یادگیری و حافظه پیکوور، دانشکده مهندسی شیمی، دانشکده مغز و علوم شناختی و موسسه مهندسی و علوم پزشکی در MIT می‌گویند از نظر تاریخی مغز با دو فناوری اصلی مورد مطالعه قرار گرفته است: فناوری‌های غیرتهاجمی تصویربرداری درون تنی، مانند MRI، و میکروسکوپ نوری همراه با روش‌های برچسب گذاری مولکولی، مانند ایمونوهیستولوژی. با این حال، هر دو فناوری ذاتا ناقص هستند، بنابراین این دانشمندان برای نقشه برداری از مغز مجبور شدند این فناوری را به روز کنند.

بر اساس تخمین دانشمندان، علاوه بر وجود میلیارد‌ها عدد سلول و نورون، هزاران نوع مختلف سلول عصبی در مغز انسان وجود دارد.
مجریان این پژوهش می‌گویند برای درک عملکرد و اختلال عملکرد مغز، باید نحوه سازماندهی سه بعدی و چگونگی اتصال این سلول‌ها به یکدیگر را بشناسم و حفظ و استخراج این اطلاعات سه بعدی به بافت‌های سه بعدی دست نخورده نیاز دارد.

با این حال، پیش از این، تصویربرداری از مغز با وضوح درون سلولی بدون برش دادن مغز امکان پذیر نبود. مغز انسان بزرگتر از آن است که بتوان با استفاده از روش‌های تصویربرداری نوری به طور کامل تصویربرداری شود. از سویی بریدن نیمکره کامل مغز نه تنها می‌تواند به بافت آسیب برساند، بلکه می‌تواند ماه‌ها طول بکشد، زیرا «برش‌ها باید بسیار بسیار نازک باشند».

همین امر چالش اولیه و یا فرصتی برای نوآوری در فناوری شد.

پژوهشگران MIT یک «کانال ارتباطی فناوری» خلق کردند که مجموعه‌ای از عناصر پردازش داده، است که با موفقیت نیمکره‌های کامل را در دو مغز اهدایی، که یکی از آنها آلزایمر داشت، تصویربرداری کرد.

آنها سه فناوری ابداع کرده اند که می‌تواند به طور بالقوه مغز انسان را به طور کامل نقشه برداری کند و اگرچه هنوز یک مغز کامل انسان را ضبط نکرده اند، اما «تصویربرداری جامع از بافت‌های مغز انسان با وضوح‌های چندگانه از سیناپس‌های منفرد تا سراسر نیمکره‌های مغز را انجام دادند».

در این نقشه برداری «مناظر گسترده هزاران نورون» تا «جنگل‌های متنوع تماس‌ها با جزئیات جداگانه» و «گروه‌هایی از ساختار‌های درون سلولی که در میان مولکول‌های خارج سلولی قرار گرفته اند» مشاهده شد که هرگز پیش از این چنین تصویر دقیقی از مغز دیده نشده بود.

«جی وانگ» «Ji Wang» یکی از مبتکران این فناوری‌های سه گانه، «مگاتوم» را خلق کرده است که نیمکره‌های دست نخورده مغز انسان را بدون آسیب رساندن به بافت برش می‌دهد. پیش از این، برش نیمکره مغز ماه‌ها طول می‌کشید، اما او طراحی این نوع برش دهنده ویبراتومی را بهبود بخشید تا هیچ اطلاعات آناتومیکی در این فرآیند از بین نرود.

در مرحله بعد از برش، دانشمند دیگری به نام «جوهیوک پارک» «Juhyuk Park» فناوری «mELAST» را توسعه داد که هر برش را شفاف، انعطاف پذیر، بادوام و قابل گسترش کرده و برچسب گذاری را سریع، یکنواخت و قابل تکرار انجام می‌دهد.

«mELAST» یک هیدروژل است که نمونه مغز را شفاف و غیر قابل تخریب می‌کند و همچنین به آنها اجازه می‌دهد تا در مناطق مورد نظر نقطه گذاری کنند.

هنگامی که هر برش تصویربرداری شد، آنها به قدرت محاسباتی نیاز داشتند تا آن اطلاعات را به زندگی سه بعدی برسانند و این سیستم جدید به نام «UNSLICE» توسط «وبستر گوان» «Webster Guan» ابداع شد. این سیستم تصاویر سه بعدی را از برش‌های جداگانه به مغز دست نخورده با اطلاعات اتصال سلولی بازیابی شده، بازسازی می‌کند.

این مطالعه ظرفیت‌های قوی این کانال ارتباطی فناورانه و پیشگامانه را نشان می‌دهد ارائه می‌دهد. این مجموعه از نوآوری‌ها به دانشمندان علوم اعصاب کمک می‌کنند تصویری کلی از یک نیمکره بگیرند، در سطح درون سلولی بزرگنمایی کرده، مغز را نقشه برداری کنند و آسیب شناسی مغز را به طور بی سابقه‌ای انجام دهند.

نتایج این تحقیقات در نشریه Science منتشر شده است.