بفضل الاكتشاف المذهل الذي حققه فريق من الباحثين بقيادة علي باشا وزيري في جامعة روكفلر، أصبح الآن بإمكاننا إلقاء نظرة خاطفة على دماغ فأر حي متحرك وهو يستكشف محيطه، أو يتفاعل مع أقرانه، أو يلاحق فريسته. تقدم دراسة جديدة نشرت في مجلة (Nature Biomedical Engineering) حلاً مبتكرًا للتحدي الطويل الأمد المتمثل في التقاط نشاط الدماغ على نطاق واسع في الفئران أثناء التنقل. حيث صُمم مجهر يلتقط نشاط دماغ الفأر أثناء الحركة.
سيغير هذا المجهر قواعد اللعبة، إذ يزن 2.5 جرام فقط، أي ما يعادل وزن بنس أمريكي واحد. ويمكن لهذا الجهاز الخفيف أن يلتقط مساحات واسعة من نشاط الدماغ بدقة غير مسبوقة. مما سيسمح للعلماء بمراقبة الدماغ أثناء عمله بينما تنخرط الفئران في سلوكيات طبيعية. إن الآثار المترتبة على ذلك هائلة، لأن هذه التكنولوجيا تحمل المفتاح لتعزيز فهمنا لكيفية ارتباط النشاط العصبي الموزع على مستوى الدماغ بالسلوك الطبيعي.
محتويات المقال :
كشف ألغاز نشاط الدماغ لدى الفئران
لقرون عديدة، انبهر العلماء بطريقة عمل الدماغ البشري، الذي يشار إليه غالبًا على أنه العضو الأكثر تعقيدًا وغموضًا في جسم الإنسان. ومع ذلك، لجأ الباحثون إلى الفئران لفهم كيفية عمل الدماغ بشكل أفضل. يسأل البعض لماذا الفئران؟ ذلك لأن الفئران تشارك جزءًا كبيرًا من الحمض النووي الخاص بها مع البشر، مما يجعلها نوعًا مثاليًا لدراسة وظائف المخ وسلوكه.
يتكون الدماغ من مليارات الخلايا العصبية، تتواصل كل منها مع بعضها البعض من خلال الإشارات الكهربائية والكيميائية. وعندما تعمل هذه الخلايا العصبية معًا، فإنها تشكل شبكات معقدة تمكننا من التفكير والتحرك والتفاعل مع محيطنا. ولكن ماذا يحدث عندما تتعطل هذه الشبكات؟ كيف يتعافون، وما هي آثار ذلك على صحة الإنسان؟
كانت دراسة نشاط الدماغ لدى الفئران خطوة حاسمة في كشف أسرار وظائف الدماغ وسلوكه. ومن خلال ملاحظة كيفية استجابة الفئران للمحفزات المختلفة، يمكن للعلماء اكتساب رؤى قيمة حول الآليات العصبية الكامنة وراء السلوك، وصنع القرار، والتعلم. علاوة على ذلك، فإن الأبحاث التي تُجرى على أدمغة الفئران لها آثار بعيدة المدى في فهم وعلاج الاضطرابات العصبية، مثل مرض ألزهايمر، ومرض باركنسون، والاكتئاب.
تاريخ موجز لتصوير الدماغ
يتميز تاريخ تصوير الدماغ بالنضال المستمر لتحقيق التوازن بين الدقة ومجال الرؤية والوزن. كانت المجاهر القياسية المثبتة على الرأس، القادرة على التقاط نشاط الدماغ في الثدييات الأكبر حجمًا، ثقيلة عادةً. ولكن ماذا عن الفئران، الكائنات الحية النموذجية لأبحاث الدماغ؟ لقد احتاجوا إلى مجهر لم يكن خفيف الوزن فحسب، بل وقادرًا أيضًا على التقاط صور عالية الدقة لنشاط الدماغ.
في السنوات الأخيرة، أحرز الباحثون تقدمًا كبيرًا في تطوير مجاهر محمولة على الرأس للفئران. ومع ذلك، فقد تنازلت هذه النماذج المبكرة عن مجال الرؤية والدقة ونطاق العمق لتحقيق وزن أخف. كان قيد التصميم النموذجي هو الحاجة إلى نظام عدسات أثقل لالتقاط مجال رؤية أكبر، مما أدى بدوره إلى أن يشكل وزن المجهر عائقًا يصعب التغلب عليه.
وللتغلب على هذا القيد، ركز الباحثون على جعل التكنولوجيا الحالية أخف وزنًا، عن طريق استبدال الأجزاء المعدنية بالبلاستيك. لكن كان لهذا النهج حدوده. وجاء تغيير قواعد اللعبة عندما بدأ العلماء في التشكيك في التصميم الأساسي للمجاهر. وبدلاً من محاولة جعل وزن النظام المعقد أقل، تساءلوا: ما هي أهداف التكنولوجيا، وكيف يمكننا تحقيقها دون عبء نظام ثقيل يعتمد على العدسات؟
ولادة مجهر جديد
يكمن الحل المبتكر لالتقاط نشاط الدماغ على نطاق واسع في الفئران أثناء التنقل في نهج جديد للفحص المجهري. وهذا النهج الجديد يرتكز على مبدأ التخلص من النظام التقليدي القائم على العدسات. ويسمى ذلك النهج العناصر الضوئية الانحرافية (diffractive optical elements (DOEs))، وهي تقنية غيرت قواعد اللعبة وتتعامل مع الضوء من خلال الانحراف (الحُيود). مما يسمح بالتحكم الدقيق في موجات الضوء. تستخدم هذه العدسات هياكل مجهرية لثني الضوء، على عكس العدسات التقليدية، مما يجعلها مدمجة وخفيفة الوزن وفعالة.
في الفحص المجهري، الهدف هو رسم نقاط في الفضاء على مستوى الصورة، مما يضمن أن الصورة المتكونة تشبه المشهد الفعلي. ومع ذلك، أثناء محاولتك تكوين صورة ذات مجالات رؤية أكبر مع الحفاظ على الدقة، فإن التشوهات التي تسببها عدسة واحدة تتطلب المزيد من عناصر العدسة، مما يؤدي إلى تصميم عدسة مركبة. تحايل الفريق على هذه المشكلة من خلال رسم خرائط دقيقة للمواقع بين المشهد وأجهزة الاستشعار دون تكوين صورة. ثم استخدموا الأساليب الحسابية لإعادة بناء المشهد الأصلي.
يحقق المجهر القائم على العناصر الضوئية الانحرافية الخاص بمختبر وزيري مستوى غير مسبوق من التصوير. حيث التقط مقاطع واسعة من دماغ الفأر عبر مجال رؤية يبلغ 3.6 × 3.6 مم² مع دقة جانبية تبلغ 4 ميكرومتر، وعمق مجال يبلغ 300 ميكرومتر. يمكن طباعة معظم أجزائه بتقنية ثلاثية الأبعاد أو استخدام أجهزة استشعار لكاميرات الهواتف المحمولة غير مكلفة. مما يجعله ابتكارًا يسهل الوصول إليه للمختبرات في جميع أنحاء العالم.
مستقبل تصوير الدماغ
يتصور الباحثون مستقبلًا ينتقل فيه هذا المجهر الذي يلتقط نشاط دماغ الفأر أثناء الحركة إلى المستوى التالي. أحد التطورات المحتملة هو تكامل نقل البيانات لاسلكيًا، مما يسمح بالاتصال السلس بين المجهر وجهاز التسجيل. وهذا من شأنه أن يتيح مراقبة فئران متعددة تتفاعل مع بعضها البعض، مما يوفر رؤى قيمة في السلوك الاجتماعي والتواصل.
بالإضافة إلى ذلك، قد تركز التكرارات المستقبلية للمجهر المصغر على ضبط التكنولوجيا لمراقبة مناطق الدماغ الموجودة بشكل أعمق داخل القشرة. وهذا من شأنه أن يمنح العلماء إمكانية الوصول إلى مناطق نشاط الدماغ التي لم يتم استكشافها من قبل. مما قد يكشف النقاب عن أسرار جديدة حول اتخاذ القرار، وتنظيم العواطف، والعمليات المعرفية.
الاحتمالات لا حصر لها، وتأثير هذا الاكتشاف على فهمنا لوظيفة الدماغ وسلوكه يمكن أن يكون عميقا. وبينما يواصل العلماء دفع حدود ما هو ممكن، فقد نكشف عن إجابات لبعض الأسئلة الإنسانية الأكثر إلحاحًا حول الدماغ وأعماله المعقدة.
Light-weight microscope captures large-scale brain activity of mice on the move / science daily
Author: أخبار علمية
سعدنا بزيارتك، جميع مقالات الموقع هي ملك موقع الأكاديمية بوست ولا يحق لأي شخص أو جهة استخدامها دون الإشارة إليها كمصدر. تعمل إدارة الموقع على إدارة عملية كتابة المحتوى العلمي دون تدخل مباشر في أسلوب الكاتب، مما يحمل الكاتب المسؤولية عن مدى دقة وسلامة ما يكتب.
التعليقات :