แสงตรงสู่สมอง

แสงตรงสู่สมอง

Dmitry Mamontov
"กลศาสตร์ยอดนิยม" №5, 2014

วิธีการ Photonics ได้ปฏิวัติอุตสาหกรรมโทรคมนาคมแล้ว ตอนนี้อยู่ในสาย – ชีววิทยา

นักวิจัยจากห้องปฏิบัติการฟิสิกส์และสเปกโทรสโกปีของภาควิชาฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโก Lyubov Amitonova แสดงให้เห็นถึงคู่มือแสงที่ออกแบบมาเพื่อการวิจัยเชิงพรรณนา

บนหน้าจอ – เมาส์ในห้องทดลองปกติ จากด้านหลังกรอบสองเส้นใยบาง ๆ ถูกดึงมาที่ศีรษะของเธอ เธอนั่งและเริ่มวิ่งไปตามวงกลม ได้อย่างรวดเร็วก่อนไม่น่าประทับใจมาก แม้ว่าในความเป็นจริงเมาส์ไม่ค่อยปกติ: เซลล์ประสาทในสมองของเธอจะถูกควบคุมโดยแสงพั นี่คือการสาธิตทั่วไปของวิธีการที่ในทศวรรษที่ผ่านมาได้สร้างการปฏิวัติจริงในด้านระบบประสาทชีววิทยา – optogenetics

เซนเซอร์และตัวกระตุ้น

"นี่คือการใช้โมเลกุลของตัวบ่งชี้ทางพันธุกรรมที่สามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์สำหรับกระบวนการทางชีววิทยาที่เกิดขึ้นในเซลล์และเนื่องจากสมบัติทางแสงของพวกเขา (fluorescence ภายใต้การกระทำของรังสีเลเซอร์หรือการเรืองแสงภายใน) แจ้งนักวิจัยเรื่องนี้" คอนสแตนตินอโนคินหัวหน้ากล่าว ภาควิชาประสาทวิทยา, NRC "Kurchatov Institute" หัวหน้าห้องปฏิบัติการของ Neurobiology, Memory, สถาบันสรีรวิทยาปกติ, รัสเซีย Academy of Medical Sciences- นี่คือสิ่งที่เรียกว่า optogenetics โดยตรง นอกจากนี้ยังมีสิ่งที่ตรงกันข้ามนั่นคือการใช้โมเลกุลที่เข้ารหัสทางพันธุกรรมตัวกระตุ้นซึ่งเมื่อตื่นเต้นด้วยแสงสามารถเปลี่ยนการทำงานของเซลล์ได้ ในหมู่ตัวกระตุ้นส่วนใหญ่ตอนนี้ใช้ช่องไอออนของแบคทีเรียหรือสาหร่าย ถ้าใช้การเข้ารหัสทางพันธุกรรมช่องเหล่านี้จะถูกแทรกลงในเยื่อหุ้มเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมพวกเขาจะเปิดขึ้นเพื่อตอบสนองต่อแสงของความยาวคลื่นบางแห่งโดยส่งผ่านไอออนและเปลี่ยนศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ Optogenetics ได้รับการใช้มากที่สุดในการศึกษาเซลล์ของระบบประสาทโดยเฉพาะอย่างยิ่งสมอง "

วิธีการทำงานของ optogenetics
นักวิจัยสามารถใช้อิทธิพลของเซลล์ประสาทที่เลือกโดยใช้คลื่นแสงได้ ") วิธีการทำงานของ optogenetics
นักวิจัยสามารถใช้อิทธิพลของเซลล์ประสาทที่เลือกได้โดยใช้แสง "border = 0> วิธีการทำงานของ optogenetics
นักวิจัยสามารถใช้อิทธิพลของเซลล์ประสาทที่เลือกโดยใช้พัลส์แสง

การนัดหยุดงานการผ่าตัด

การทดลองครั้งแรกในสาขา optogenetics ได้ดำเนินการในห้องปฏิบัติการของมหาวิทยาลัยเยลมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียที่ Berkeley และ Stanford เพียงประมาณหนึ่งทศวรรษมาแล้ว แต่วิธีการนี้ได้รับชื่อเสียงจากนักปฏิวัติด้านประสาทวิทยาแล้ว Konstantin Anokhin อธิบาย "เซลล์ประสาทเหล่านี้ถูกรวมไว้ในเครือข่ายซึ่งในความเป็นจริงคือสมองเพื่อให้เข้าใจว่าเครือข่ายเหล่านี้ทำงานอย่างไรคุณต้องเข้าไปแทรกแซงการทำงานของพวกเขาก่อนหน้านี้ นี่คือความสำเร็จโดยวิธีการ "พรมระเบิด" ลองนึกภาพสมองในรูปแบบของมหานครซึ่งมีขนาดเล็กมากคนโหลเครือข่ายสอดแนมดำเนินการดังนั้นก่อนหน้านี้เพื่อเรียนรู้กลไกของเครือข่ายนี้เราค่อนข้างพูดลดลงระเบิดปรมาณูในเมือง, ตั้งแต่ n เราไม่ได้มีอาวุธอื่นใด Optogenetics สามารถเปรียบเทียบในแง่ของการเลือกกับการนัดหยุดงาน pinpoint: เซ็นเซอร์หรือตัวกระตุ้นสามารถแทรกเช่นเดียวกับชนิดของเซลล์ที่ต้องการและดำเนินการกับพวกเขา การทำงานขององค์ประกอบเครือข่ายส่วนบุคคลในสมอง "

เสริม แต่ไม่ยกเลิก

มันจะเข้าใจผิดอย่างสมบูรณ์ที่จะสมมติว่าด้วยการถือกำเนิดของ optogenetics ทุกวิธีการอื่น ๆ ของการวิจัยสมองจะเป็นสิ่งที่ผ่านมา แน่นอน optogenetics มีข้อดีที่สำคัญในรูปแบบของผลกระทบเลือกความถูกต้องและความเป็นไปได้ของการกระตุ้นและการยับยั้งของเซลล์ประสาท อย่างไรก็ตามวิธีการที่มีอยู่เช่น electroencephalography (EEG), magnet encephalography (MEG), การถ่ายภาพเอกซเรย์เอ็กซ์เรย์โพซิตรอน (PET), การจดบันทึกศักยภาพที่เกิดขึ้น, การบันทึกกิจกรรมของเซลล์ประสาทแต่ละตัวโดยใช้ microelectrodes, การถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงหน้าที่ (fMRI) มีจุดแข็งของพวกเขา ยกตัวอย่างเช่นการทำงานของระบบประสาทที่เกี่ยวข้องกับจิตสำนึกของมนุษย์สามารถตรวจสอบโดยใช้ fMRI แต่ไม่ใช่โดยวิธีการ optogenetics ที่ใช้เฉพาะกับสัตว์ นอกจากนี้วิธีการเช่น fMRI และ MEG ช่วยให้เราสามารถเห็นภาพทั่วโลกว่ามีอะไรเกิดขึ้นในสมองในขณะที่การสร้างภาพลักษณ์เฉพาะในพื้นที่เท่านั้น

เปิดและปิด

จุดสำคัญที่สองของ optogenetics คือความเป็นไปได้ในการควบคุมการทำงานของเครือข่ายในสมองอย่างแม่นยำแบบสองทิศทางก่อนหน้านี้สำหรับการกระตุ้นของแต่ละพื้นที่แรงกระตุ้นไฟฟ้าถูกนำมาประยุกต์ใช้กับขั้วไฟฟ้าฝังลงในสมอง แต่ผลดังกล่าวทำให้ตื่นเต้นกับเซลล์ประสาทและยิ่งกว่านั้นยิ่งหยาบและ "เฉื่อย" ด้วยความช่วยเหลือของ optogenetics ผลสามารถทำบางมากซึ่งก็คือชีพจรที่สั้นมากแม้จะสามารถทำงานออกและไม่เพียง แต่จะตื่นเต้น แต่ยังชะลอตัวที่จำเป็นเซลล์ประสาท หลังสามารถมีบทบาทสำคัญไม่เพียง แต่ในประสาทวิทยาขั้นพื้นฐาน แต่ยังอยู่ในยาที่ใช้: ตัวอย่างเช่นโดยการนำตัวกระตุ้นเข้าสู่เซลล์ประสาทในจุดเน้นของโรคลมชักและโดยรวมถึง "การยับยั้ง" การโจมตีจากโรคลมชักจะถูกขัดจังหวะ

ช่องไอออนที่มีความไวแสง ช่วยให้คุณสามารถควบคุมเซลล์ประสาทได้ เมื่อได้รับแสงจากแสงสีเหลืองที่มีความยาวคลื่น 470 นาโนเมตรจะทำให้ไอออนโซเดียมเข้าสู่เซลล์ซึ่งจะนำไปสู่การกระตุ้นของเซลล์ประสาทและ halorodopsin (NpHR) ภายใต้แสงสีเหลือง (589 นาโนเมตร) จะเปิดช่องคลอรีนไอออน

เล็คทรอนิคส์

วิธีการและระบบออฟติคัลสำหรับการทดลองที่ดำเนินการในห้องทดลองเกี่ยวกับประสาทวิทยาของศูนย์วิจัยและพัฒนา Kurchatov Institute ได้รับการพัฒนาขึ้นในห้องปฏิบัติการของคณะฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโกและ Russian Quantum CenterAlexey Zheltikov หัวหน้าภาควิชาฟิสิกส์ของ Photonics และ Nonlinear Spectroscopy จากแผนกฟิสิกส์ของ Moscow State University หัวหน้ากลุ่ม Advanced Photonics ของศูนย์ควอนตัมรัสเซียกล่าวว่า "อินเทอร์เฟซใยแก้วนำแสงเป็นเครื่องมือสำหรับงานหลากหลายประเภทที่ไม่ จำกัด เฉพาะด้าน แกนควอทซ์ล้อมรอบด้วยเปลือกซึ่งในการสะท้อนภายในทั้งหมดชีพจรแสงคือ "ล็อค" และประเภทใหม่ของคู่มือแสงได้รับการพัฒนา – micros rukturirovannye และคริสตัลโทนิค"

ใช้แสง

Photonics เป็นสาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่นักวิจัยใช้โฟตอนในลักษณะเดียวกับที่อิเล็กตรอนได้รับการปฏิบัติในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของโฟโตนิกจะมีการพัฒนาโฟตอนต่างๆของโฟตอน (จากเลเซอร์และไฟ LED ไปจนถึงซิงโครตรอน), โฟตอน "สายไฟ" – ตัวนำคลื่นแสงและเส้นใย, เครื่องขยายสัญญาณออปติคัล, อุปกรณ์ควบคุมการโฟตอน (รวมถึงคริสตัลโฟโตนิก) และเครื่องตรวจจับต่างๆ

คริสตัลแบบโทนิคคืออะไร? นี้ Alexey Zheltikov, เดียวกล่าวว่าโครงสร้างสองหรือสามมิติที่มีระยะเวลาของคำสั่งของความยาวคลื่น: "โครงสร้างดังกล่าวให้คุณสมบัติทางแสงที่ผิดปกติในผลึก photonic – พูด, แสงสามารถแพร่กระจายในบางทิศทาง แต่ไม่ได้อยู่ในคนอื่น ๆ ผลึก Photonic มีอยู่ในธรรมชาติ: เกล็ดปลาปีกผีเสื้อหรือแม่ของมุกมีภาระผูกพัน ด้วยสีรุ้งของมันเป็นโครงสร้างเป็นระยะโครงสร้างแสงและแสง photonic คริสตัลคู่มือนอกจากนี้ยังมีโครงสร้างขวางที่ซับซ้อนคุณสมบัติพื้นฐานของสนามแสงขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของมัน metry และเนื้อหาอากาศใน waveguide คุณจะได้รับเส้นใยที่มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันเมื่อการควบคุมการกระจายตัวนั่นคือดัชนีหักเหของความยาวคลื่นที่แตกต่างกันคุณสามารถมั่นใจได้ว่าชีพจรเลเซอร์แพร่กระจายภายในจะยืด, ร่นหรือคงที่คุณสามารถควบคุมไม่เพียง แต่การกระจายตัว: รอบ คุณสามารถเพิ่มความไม่เป็นเชิงเส้นของเส้นใยและรับผลกระทบแสงแบบไม่เชิงเส้นได้แม้ในพัลส์พลังงานต่ำ "

ดูความทรงจำ

"มีเครือข่ายเซลล์ที่กระจายตัวอยู่ในสมอง" Konstantin Anokhin กล่าว- เพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการทำงานวิธีที่พวกเขาเกิดขึ้นวิธีการสื่อสารกันอย่างไรพวกเขาสร้างความทรงจำอย่างไรเราจำเป็นต้องมีเครื่องมือสำหรับการติดตามผลที่มีผลและมีอิทธิพลต่อองค์ประกอบต่างๆของเครือข่ายดังกล่าว และเราเรียนรู้ที่จะทำเช่นนี้ – เราพบยีนที่เปิดใช้งานเมื่อมีการสร้างเครือข่ายของเซลล์ประสาท เราต้องการที่จะเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ optogenetic และ actuators กับยีนเหล่านี้ นี่จะเปิดโอกาสให้เห็นภาพเซลล์ประสาทในช่วงเวลาของการก่อตัวของเครือข่ายหรือกระตุ้นให้มีการเปิดใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยดึงความทรงจำออกมา "

วิสัยทัศน์ไม่เชิงเส้น

แน่นอนสำหรับอินเทอร์เฟซเกี่ยวกับระบบประสาทเชิงปริภูมิคุณจะได้รับโดยใช้โซลูชันที่ง่ายกว่ามาก แต่ห้องทดลองของ Alexey Zheltikov กำลังพัฒนาวิธีการอื่นในการศึกษาระบบทางชีวภาพโดยอิงจากผลเชิงแสงแบบไม่เชิงเส้น ปัญหาหลักคือผลกระทบเหล่านี้ต้องการความเข้มของรังสีแสงสูง ในเนื้อเยื่อทางชีววิทยาการเกิดไอออนไนซ์จะเกิดขึ้นซึ่งจะก่อให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีต่างๆและพลังงานชีพจรถูกดูดซึมและทำลายเซลล์ ดังนั้นหนึ่งในงานที่สำคัญที่สุดในกล้องจุลทรรศน์แบบไม่เชิงเส้นคือการได้รับพัลส์ที่สั้นที่สุดในขณะที่มันเป็นไปได้ที่จะเพิ่มความเข้มมาก แต่ลดพลังงานทั้งหมดของชีพจรสำหรับเส้นใยโฟโตนิกที่มีพารามิเตอร์ที่จำเป็นจะถูกนำมาใช้เมื่อพัลส์เลเซอร์ "ถูกบีบอัด" ขณะที่มันผ่านไป

โครงสร้างขวางเป็นระยะ ๆ โครงสร้างจุลภาค (ด้านซ้าย) หรือผลึก photonic (ด้านขวาเส้นใยช่วยให้คุณสามารถเปลี่ยนลักษณะทางแสงต่างๆเช่นการกระจายตัวและความไม่เป็นเชิงเส้น ทำให้สามารถควบคุมลักษณะเฉพาะของพัลส์เลเซอร์เช่นไทป์บีบอัดยืดขยายหรือเปลี่ยนความถี่ได้

ตัวอย่างทั่วไปของผลแสงแบบไม่เชิงเส้นคือการโฟโตสเฟียร์ซึ่งเป็นเรืองแสงเมื่อมีการดูดกลืนสองโปรตอน ในฐานะที่เป็นฉลากมักใช้ยีนเรืองแสงสีเขียว GFP ซึ่งเป็นยีนที่นำเข้าสู่เซลล์ที่ต้องการ ฟลูออเรสเซนต์สองโฟตอนช่วยให้คุณสามารถเลือกจุดที่ต้องการของตัวอย่างภายใต้อิทธิพลของรังสีใกล้ IR ข้อได้เปรียบของวิธีนี้คือรังสีอินฟราเรดแทรกซึมเข้าไปในเนื้อเยื่อชีวภาพลึกกว่าที่มองเห็นได้ดังนั้นวิธีนี้จึงสามารถมองเห็นได้ในตัวอย่างที่ความลึกประมาณ 1 มิลลิเมตร

"วิธีการเรืองแสงสองโฟตอนจำเป็นต้องมีโปรตีน GFP ในเซลล์ตัวอย่าง แต่สามารถทำได้โดยไม่จำเป็นต้องใช้ฉลากเลย!" Alexey Zheltikov กล่าว เราจะเห็นว่ากระเจิงของแสงที่ความถี่เหล่านี้เราสามารถสรุปได้ว่าโมเลกุลเหล่านี้มีอยู่ CARS กล้องจุลทรรศน์จะขึ้นอยู่กับเรื่องนี้ซึ่งใช้ผลของการสลายแสงที่สอดคล้องกันต่อต้าน Stokes แต่โดยปกติ CARS ต้องการเลเซอร์ปรับขนาดได้, ตัดอัณฑะในห้องปฏิบัติการของเราเราได้พบวิธีที่จะทำได้โดยไม่ต้องเลเซอร์พริ้งแยก :. เราใช้ลำแสงเลเซอร์หลักและออกแบบมาเป็นพิเศษเส้นใยโทนิคคริสตัลซึ่งช่วยให้คุณสามารถเปลี่ยนพัลส์ตามความถี่"

หลักการของกล้องจุลทรรศน์ CARS ประกอบด้วยการใช้คานเลเซอร์ที่เชื่อมโยงกันซึ่ง ได้แก่ การสูบน้ำและ Stokes ซึ่งจะต้องสอดคล้องกับความถี่ธรรมชาติของโมเลกุล ลำแสงของปั๊มสามารถทำหน้าที่เป็นลำเลียงทดสอบได้ สัญญาณที่ความถี่ที่เหมาะสมช่วยให้คุณสามารถมองเห็นโมเลกุล "ถูกต้อง" ได้


Like this post? Please share to your friends:
ใส่ความเห็น

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: