یکی از جنبه های چالش برانگیز مطالعه مغز این است که دسترسی به اندام های زنده بسیار دشوار است. سیگنالی که می تواند به دانشمندان در درک بهتر افکار، احساسات و رفتار کمک کند، در عمق فرو رفتگی جمجمه رخ می دهد. در حالی که تکنیک های تصویربرداری عصبی مانند تصویربرداری رزونانس مغناطیسی عملکردی fMRI و اولتراسوند اطلاعاتی در مورد این فرایندها به ما می دهند، با این حال درک اساسی ترین بیولوژی مغز در داخل بدن موجودات زنده همچنان یک چالش است.
چنین چالش هایی باعث شد تا میخائیل شاپیرو، دکترای تخصصی مهندسی شیمی در کالتک، که به عنوان دانشجوی مقطع کارشناسی در زمینه علوم اعصاب تحصیل می کرد، از تکنیک های موجود در آن زمان برای مطالعه عملکرد مغز ناراضی باشد. وی به جای تلاش برای ادامه تحصیل، تحصیلات خود را به رشته مهندسی بیولوژیک تغییر داد. او تصمیم گرفت با ساختن ابزاری که آرزو داشت در دوران دانشجویی به آن ها دسترسی داشته باشد، علاقه خود در درک مغز را با تمرکز بر فن آوری های نوین مولکولی بیشتر کند، و نورون ها را هم به شکلی غیرتهاجمی تصویر، و هم دستکاری کند.
یکی از اکتشافات اخیر آزمایشگاه وی شامل عامل کنتراست پاک شونده جدید است. عامل کنتراست یک ماده مغناطیسی است که با تصویربرداری عصبی برای سهولت دیدن برخی از بافت ها یا پروتئین ها استفاده می شود. این نوع پاک شونده می تواند روشن و خاموش شود، تا به محققان کمک کند مناطق مطلوب خود را بهتر برجسته کنند. در این مقاله صحبت های شاپیرو در مورد اهمیت داشتن عامل کنتراست مناسب برای کار تصویربرداری عصبی، و مزایای یک عامل کنتراست پاک شونده ارائه شده است.
چرا داشتن عامل کنتراست مناسب در تلاش برای درک بهتر عملکرد مغز بسیار مهم است؟
مغز برای آزمایشگرها تکامل نیافته تا به درون آن نگاه کنند و ببینند چه خبر است. بنابراین، اگر واقعاً می خواهیم ببینیم چه اتفاقی می افتد، دو گزینه داریم. یک، ما می توانیم سعی کنیم از هر نوع سیگنالی که به طور طبیعی در داخل مغز وجود دارد، استفاده کنیم. مواردی مانند پتانسیل های الکتریکی هستند که می توانیم آن ها را با الکترود ثبت کنیم. همچنین می توانیم تغییراتی در جریان خون یا اکسیژن رسانی خون را که به طور غیر مستقیم با فعالیت عصبی مطابقت دارد، اندازه گیری کنیم. اما اگر می خواهیم همه چیز را در سطح مولکولی در سیناپس یا درون سلول های عصبی ببینیم، باید عامل کنتراست مناسبی را معرفی کنیم که به ما اجازه می دهد آن مولکول ها را ببینیم. زیرا این مولکول ها خودشان نمی توانند به طور طبیعی دیده شوند.
فواید استفاده از عامل کنتراست پاک شونده چیست؟
چیزی را که در حال چشمک زدن است می توان خیلی راحت تر از چیزی که همیشه روشن است، تشخیص داد. چراغ های چشمک زن دوچرخه را در نظر بگیرید. وقتی مردم شب از محل کارشان تا خانه با دوچرخه می روند، داشتن چراغ چشمک زن از علائم ایمنی است که دیدن آن ها را برای رانندگان راحت می کند. این همان ایده دقیق با تصویربرداری است. اگر یک نقطه تاریک یا یک نقطه روشن را در اسکن مشاهده کنید، ممکن است عامل کنتراست یا سیگنال مورد نظر شما باشد، اما اگر بتوانید کاری کنید که آن نقطه چشمک بزند، یا اگر می توانید آن را با یک روش دقیق خاموش و روشن کنید، می توانید اطمینان بیشتری داشته باشید که این نقطه سیگنالی است که می خواهید تشخیص دهید.
نانوذرات مغناطیسی که برای چشمک زدن استفاده می شوند،چه هستند و چگونه کار می کنند؟
وقتی افراد در گذشته در مورد عوامل کنتراست فکر می کردند، معمولاً مواردی را در نظر می گرفتند که حاوی فلزات هستند. اما ساخت سلول های نانوذرات با خواص مغناطیسی قوی بسیار دشوار است. و علاوه بر این، یک مشکل کنتراست دارند. تشخیص آن ها از سایر مواردی که ممکن است در سلول جریان داشته باشد، دشوار است.
برای تولید کنتراست ام آر آی نیازی به ذره آهن نیست. در عوض، می توان این کار را با استفاده از هوا انجام داد، زیرا حساسیت مغناطیسی هوا با آب متفاوت است. بنابراین داشتن کمی پاکت هوا برای تولید کنتراست در ام آر آی کافی است. به نظر می رسد که این نانوساختارهای پروتئینی قابل رمزگذاری ژنتیکی کوچک وجود دارند، که با هوایی به نام وزیکول های گاز پر می شوند. و این امکان را فراهم می کنند که کنتراست های مختلفی ایجاد کنید، که برای دیدن سیگنال ها، هم با رزونانس مغناطیسی و اولتراسوند، و هم با سایر روش های تصویربرداری می توانید از آن ها استفاده کنید. با استفاده از ام آر آی می توانید بیان ژن را در سلول ها مشاهده کنید.
در اینجا قسمت پاک کننده وارد می شود. پاک کردن یک ذره مغناطیسی طبیعی سخت است. زیرا این ذره یک جسم جامد است. اما اگر فقط کمی پاکت هوا داشته باشید، می توانید با متلاشی کردن پاکت آن را پاک کنید. در این حالت، اگر بر روی نانوذره اولتراسوند اعمال کنید، و فشار موج صوتی از یک نقطه خاص بیشتر باشد، ساختار کمی شکسته خواهد شد. به نوعی می توانید مانند له شدن توپ پینگ پنگ به آن فکر کنید. هوای داخل توپ پینگ بونگ در محیط حل می شود، و برای همیشه از بین می رود. می توانید از طریق اولتراسوند منظم مانند تصویربرداری تشخیصی، عکس ام آر آی بگیرید، و کنتراستی را که می بینید پاک کنید.
چگونه ممکن است این عامل کنتراست به ما کمک کند تا التهابات مغزی را بهتر درک کنیم؟
ایده این است که می توان از آن برای ردیابی سلول های ایمنی مغز استفاده کرد، و این همان کاری است که محققان می خواهند در آینده انجام دهند. می توان ماکروفاژها یا سلول های تی را هنگام ورود به مغز در طی فرآیندهای التهابی عصبی مشاهده کرد، و سپس با روشن کردن برنامه های ژنتیکی متناسب با فعال شدنشان، آن ها را ردیابی کرد. و این امکان را فراهم می کند تا بیان این عوامل کنتراست کدگذاری شده ژنتیکی را به پروموترهای سلول هایی که با فعال شدن آن ها مطابقت دارند، بهتر متصل کنیم.
بیشتر بخوانید: تحریک مغز برای به دست آوردن هشیاری
