ساخت ابزاری جدید برای مشاهده و کنترل فعالیت های عصبی

یک تیم از دانشمندان مرتبط با شاخه های مختلف علمی ابزاری مولکولی جدید ایجاد کرده اند تا به ما کمک کند که بنیان سلولی را بهتر درک کنیم.

به گزارش واحد تحقیقات علمی تکنا به نقل از دانشگاه استنفورد، یک کاوشگر مولکولی جدید از دانشگاه استنفورد می تواند به ما کمک کند تا بدانیم که مغزمان چگونه تفکر و یادآوری میکند. این ابزار با نام FLiCRE برای انجام انواع کارهای تحقیقاتی از جمله برچسب گذاری، ضبط و کنترل عملکردهای سلولی می تواند به داخل هر سلول ارسال گردد.

 آلیس تینگ، استاد ژنتیک در دانشکده پزشکی استنفورد و زیست شناس دانشکده علوم انسانی که تیم آنها این تحقیق را با کمک آزمایشگاه روانپزشکان و مهندسین زیستی استنفورد و کارل دیسروت انجام دادند گفت : این کار به هدف اصلی علوم اعصاب می رسد به این صورت که چگونه می توان سیستم نورون هایی را یافت که زیربنای یک فکر یا فرایند شناختی هستند؟ دانشمندان علوم مغز و اعصاب مدت هاست که خواهان این نوع ابزار هستند.

در اثبات آزمایشات مفهومی، که در مقاله ای  به تاریخ 11 دسامبر در نشریه سل منتشر گردید، محققان از FLiCRE برای گرفتن عکس فوری از فعالیت عصبی مرتبط با رفتار اجتناب پذیری در موش ها استفاده کردند. با اتصال عکس فوری FLiCRE با تعیین توالی RNA، آنها دریافتند که این سلولهای عصبی فعال در درجه اول به یک سلول واحد تعلق دارند، که فقط با استفاده از ابزارهای ژنتیکی غیرقابل دسترسی است. آنها سپس از FLiCRE در ترکیب با یک اپسین – پروتئینی که برای کنترل فعالیت عصبی با نور تولید شده توسط دیسروت مورد استفاده قرار میگیرد؛ برای فعال سازی مجدد همان نورون ها در روز بعد استفاده کردند که باعث شد موش ها از ورود به اتاق خاصی امتناع کنند. منطقه مغزی که محققان مطالعه کردند تکیه گاه هسته ای نامیده می شود که نقش مهمی در بیماری های روانپزشکی انسان، از جمله افسردگی دارد.

فناوری مولکولی هسته ای

FLiCRE از دو زنجیره  اجزای مولکولی تشکیل شده است که به وجود نور آبی و کلسیم پاسخ می دهند. این حساسیت به نور به محققان این امکان را می دهد تا زمان آزمایش خود را دقیقاً کنترل کنند چرا که کلسیم نیزتقریبا به عنوان یک شاخص جهانی برای فعالیت سلول شناخته میشود. محققان به منظور وارد کردن FLiCRE به داخل سلول، آن را به دو قسمت مجزا از یکدیگر تقسیم کرده و درون یک ویروس بی خطر می گنجانند. یک قسمت از FLiCRE به غشای سلول متصل میشود و حاوی پروتئینی است که میتواند وارد هسته سلول شود و بیانگر هر ژنی باشد که محققان انتخاب کرده اند. قسمت دیگر FLiCRE وظیفه آزاد سازی پروتئین در شرایط خاص را دارد، بطور مثال در حالتی که غلظت کلسیم زیاد باشد و سلول در نور آبی غوطه ور شده باشد این بخش شروع به فعالیت خواهد کرد.

در حالی که تکنیک های برچسب گذاری موجود برای فعال شدن به ساعت ها نیاز دارند، روند برچسب گذاری FLiCRE فقط چند دقیقه طول می کشد. محققان همچنین FLiCRE را طراحی کردند تا بتوانند از توالی ژنتیکی استاندارد برای یافتن سلولهایی که FLiCRE در آنها فعال شده استفاده کنند. این ویژگی به آنها امکان می دهد ده ها هزار سلول را به طور هم زمان مطالعه کنند، در حالی که سایر روش ها نیاز به تجزیه و تحلیل تصاویر میکروسکوپی متعدد دارند که هر کدام حاوی صدها سلول است.

در یک سری آزمایشات، محققان با تزریق FLiCRE به درون تکیه گاه هسته در سلول و با استفاده از آپسین مسیر عصبی مرتبط با رفتار اجتناب پذیری در موش ها را فعال کردند. هنگامی که کلسیم موجود در سلولهای حاوی FLiCRE افزایش می یابد؛ این نشان دهنده سلولی است که موش از چیزی جلوگیری می کند. سلولها به رنگ  قرمز دائمی در می ایند که از طریق میکروسکوپ قابل مشاهده است. محققان همچنین RNA سلول ها را توالی بندی کردند تا ببینند کدام یک از آنها حاوی پروتئین فلورسنت هستند و مسیول تولید آن را براساس ثبت فعالیت عصبی سلول می باشند.

کریستینا کیم، دانشمند فوق دکترا در رشته ژنتیک در استنفورد و نویسنده اصلی مقاله، گفت: یک هدف این کار در واقع نقشه برداری از چگونگی ارتباط مناطق مغز با یکدیگر دربین  حیوانات زنده بود که  مسئله واقعاً دشواری است. وی همچنین افزود: زیبایی FLiCRE این است که می توانیم سلول های عصبی را در یک منطقه پالس کرده و فعال کنیم و سپس همه نورون های پایین دست متصل را ضبط کنیم. این یک روش واقعا جالب برای بررسی ارتباطات فعالیت مغز با برد طولانی است.

در آزمایش های بعدی محققان از نقشه فعالیت سلولی حاص از اولین آزمایش استفاده کردند. آنها همچنین FLiCRE را تنظیم کردند تا پروتئین اپسین را بیان کند، که می تواند توسط نور نارنجی کنترل شود و فعالیت عصبی را تغییر دهد. محققان پس از فعال سازی FLiCRE در سلول ها، هر زمان که موش ها وارد اتاق خاصی شدند از طریق کاشت فیبر نوری نور نارنجی ارسال کردند. در پاسخ موش ها از آن اتاق دور شدند و این نشان داد که FLiCRE درون سلول هایی در مغز واقع شده مسیول هدایت  رفتارهای اجتنابی می باشد.

یک پروژه رویایی

توسعه و انجام  آزمایشات FLiCRE که در ترکیب با علومی نظیر شیمی، ژنتیک، زیست شناسی و علوم اعصاب و بسیاری از تخصص های این رشته ها می باشد. به گفته محققان درنهایت این ابزار دارای طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی از جمله در خارج سلولهای مغزی می باشد.

تینگ گفت: من در سال 2016 به استنفورد نقل مکان کردم با این امید که بتوانم پروژه های دخیل در چند  رشته  و مشارکتی از این قبیل را انجام دهم. وی افزود: این پروژه یکی از جنبه های سودمند انتقال من به استنفورد بوده است ؛ دیدن چیزی که اینچنین چالش برانگیز و بلندپروازانه است واقعاً جواب می دهد.

محققان اکنون با هدف آسان سازی فرآیند، در حال کار بر روی نسخه های اضافی FLiCRE هستند. آنها امیدوارند که بتوانند ساختار مورد نظر ساده کنند و همچنین آن را قادر سازند که بتواند  با سایر رویدادهای بیوشیمیایی مانند فعل و انفعالات پروتئین یا انتشار انتقال دهنده عصبی فعال گردد. بمنظور مشاهده دیگر اخبار این حوزه به صفحه اخبار علمی و یا اخبار فناوری مراجعه کنید.