มองเข้าไปในสิ่งมีชีวิต: นักวิทยาศาสตร์ศึกษาสมองอย่างไรและทำไม

วิธีการสร้างภาพสมองแบบใหม่

• นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างอะไร?

นักวิจัยได้พัฒนาเทคนิคใหม่ขึ้นมาว่า

ช่วยให้คุณได้รับกล้องจุลทรรศน์ภาพเรืองแสงที่อยู่ลึกเข้าไปในสมอง มันเป็นสี่เท่าของขีดจำกัดที่กำหนดโดยการกระเจิงของแสง กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์มักใช้เพื่อแสดงรายละเอียดระดับโมเลกุลและเซลล์ของสมองในสัตว์ทดลองที่มีโรคต่างๆ อย่างไรก็ตาม จนถึงขณะนี้ ยังถูกจำกัดให้ใช้ในปริมาณน้อยและขั้นตอนที่มีการบุกรุกสูง เนื่องจากการกระเจิงของแสงที่รุนแรงจากผิวหนังและกะโหลกศีรษะ

วิธีการใหม่ - การถ่ายภาพด้วยแสงแบบกระจายการแปลเป็นภาษาท้องถิ่น (การถ่ายภาพการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นแบบกระจาย, DOLI) ใช้ประโยชน์จากสเปกโทรสโกปีใกล้อินฟราเรด (NIR-II) ตั้งแต่ 1,000 ถึง 1,700 นาโนเมตร นี่คือสิ่งที่ทำให้แสงกระเจิงน้อยที่สุด

• ทำไม?

การสร้างภาพไดนามิกทางชีวภาพในสภาพแวดล้อมที่ไม่ถูกรบกวน ลึกเข้าไปในสิ่งมีชีวิต เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทำความเข้าใจชีววิทยาที่ซับซ้อนของสิ่งมีชีวิตและการพัฒนาของโรค

กล้องจุลทรรศน์เรืองแสง 3 มิติดำเนินการอย่างสมบูรณ์โดยไม่รุกรานด้วยความละเอียดของเส้นเลือดฝอยในสมองของหนูผู้ใหญ่ ครอบคลุมขอบเขตการมองเห็นประมาณ 1 ซม. ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เทคนิคการถ่ายภาพสมองแบบใหม่ช่วยให้สามารถถ่ายภาพหลอดเลือดที่อยู่ลึกเข้าไปในสมองของหนูได้

ให้ความเป็นไปได้ของการสังเกตด้วยแสงด้วยนักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าความละเอียดสูงในเนื้อเยื่อที่มีชีวิตลึกเป็นเป้าหมายที่ยาวนานในการถ่ายภาพทางชีวการแพทย์ การพัฒนาใหม่นี้จะเป็นประโยชน์สำหรับการศึกษากิจกรรมของระบบประสาท จุลภาค ปฏิสัมพันธ์ของเส้นประสาทและหลอดเลือด และการเสื่อมของระบบประสาท

กระตุ้นเซลล์ประสาทส่วนลึกในสมอง

• นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างอะไร?

นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันจากวอชิงตันมหาวิทยาลัยเซนต์หลุยส์ได้พัฒนาเทคนิคใหม่ในการกระตุ้นสมองโดยใช้อัลตราซาวนด์แบบโฟกัส ซึ่งสามารถเปิดและปิดเซลล์ประสาทบางประเภทในสมอง และควบคุมการทำงานของมอเตอร์ได้อย่างแม่นยำโดยไม่ต้องฝังอุปกรณ์ผ่าตัด

การศึกษาแสดงให้เห็นความสำเร็จของอัลตราซาวนด์ในการกระตุ้นเซลล์ประสาทอย่างลึกล้ำเป็นครั้งแรก

นักวิทยาศาสตร์ได้วางการออกแบบพิเศษที่มีช่องไอออน TRPV1 ไปยังเซลล์ประสาทที่คัดเลือกโดยพันธุกรรม จากนั้นพวกเขาก็สร้างความร้อนขึ้นเล็กน้อยโดยใช้อัลตราซาวนด์ที่มีความเข้มข้นต่ำเพื่อเลือกเซลล์ประสาทในสมองผ่านอุปกรณ์สวมใส่ ความร้อนซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิร่างกายเพียงไม่กี่องศาได้เปิดใช้งานช่องไอออน TRPV1 ในที่สุด มันก็ทำหน้าที่เหมือนสวิตช์เพื่อเปิดหรือปิดเซลล์ประสาท

• ทำไม?

ความผิดปกติของระบบประสาท เช่น การเจ็บป่วยโรคพาร์กินสันและโรคลมบ้าหมูประสบความสำเร็จในการรักษาโดยใช้การกระตุ้นสมองส่วนลึก ปัญหาคือต้องมีการฝังอุปกรณ์ผ่าตัด การพัฒนาใหม่นี้จะเปลี่ยนแนวทางการวิจัยในสาขาชีววิทยาประสาท และจะเปิดวิธีการใหม่ในการทำความเข้าใจและการรักษาโรคทางสมองของมนุษย์

การสังเคราะห์แสงไม่ใช่ในพืช แต่อยู่ในสมอง

• นักวิทยาศาสตร์ได้ทำอะไร?

หลอดเลือดในสมองอุดตันผู้ป่วยโรคหลอดเลือดสมองป้องกันไม่ให้เลือดที่อุดมด้วยออกซิเจนไปถึงเซลล์ สิ่งนี้นำไปสู่ความเสียหายร้ายแรง พืชและจุลินทรีย์บางชนิดผลิตออกซิเจนผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง เกิดอะไรขึ้นถ้ามีวิธีการเปิดใช้งานในสมองของผู้ป่วย? นักวิทยาศาสตร์ได้ทำสิ่งนี้กับเซลล์และหนูโดยใช้สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินและอนุภาคนาโนพิเศษในการสาธิต

สาหร่ายสีน้ำเงินแกมเขียว เช่นSynechococcus elongatusก่อนหน้านี้ได้ศึกษาการรักษาภาวะขาดสารอาหารออกซิเจนในเนื้อเยื่อของหัวใจและเนื้องอกผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง แต่แสงที่มองเห็นได้ซึ่งจำเป็นต่อการกระตุ้นเชื้อโรคไม่สามารถทะลุผ่านกะโหลกศีรษะได้ ใช่ แน่นอนว่าใกล้แสงอินฟราเรดสามารถทะลุผ่านกระดูกได้ แต่ไม่เพียงพอต่อการกระตุ้นการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยตรง

อนุภาคนาโนพิเศษที่ใช้สำหรับการถ่ายภาพสามารถดูดซับโฟตอนใกล้อินฟราเรดและปล่อยแสงที่มองเห็นได้ นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาวิธีการใหม่ที่สามารถนำไปใช้กับผู้ป่วยโรคหลอดเลือดสมองได้ในวันหนึ่งโดยการนำมาผสมผสานกันS. elongatusอนุภาคนาโนและใกล้แสงอินฟราเรดในระบบใหม่ของการสังเคราะห์ด้วยแสงนาโน

ส่วนสมองของหนูที่ได้รับการรักษาด้วยการบำบัดด้วยการสังเคราะห์แสงด้วยนาโน (ขวา) มีเซลล์ประสาทที่เสียหายน้อยกว่าที่แสดงเป็นสีเขียวมากกว่าหนูควบคุม (ซ้าย) เครดิต: ดัดแปลงจาก Nano Letters 2021, DOI: 10.10.21 / acs.nanolett.1c00719

นักวิจัยได้เชื่อมต่อS. elongatusด้วยอนุภาคนาโนนีโอไดเมียมที่แปลงสภาพแสง IR ทะลุเข้าไปในเนื้อเยื่อที่ความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ นี่คือสิ่งที่แบคทีเรียใช้ในการสังเคราะห์แสง นักวิทยาศาสตร์พบว่าวิธีการสังเคราะห์แสงระดับนาโนช่วยลดจำนวนเซลล์ประสาทที่เสียชีวิตหลังจากการขาดแคลนออกซิเจนและกลูโคส จากนั้นพวกเขาก็ฉีดแบคทีเรียและอนุภาคนาโนเข้าไปในหนูที่มีหลอดเลือดแดงในสมองอุดตัน และให้หนูสัมผัสกับแสง การบำบัดช่วยลดจำนวนเซลล์ประสาทที่กำลังจะตาย ปรับปรุงการทำงานของมอเตอร์ของสัตว์ และยังช่วยให้หลอดเลือดใหม่เริ่มเติบโตอีกด้วย

• ทำไม?

ตามที่องค์การอนามัยโลกระบุว่า5 ล้านคนเสียชีวิตทุกปีจากโรคหลอดเลือดสมองทั่วโลก มีชีวิตรอดอีกหลายล้านคน แต่มักมีความทุพพลภาพ เช่น ปัญหาเกี่ยวกับการพูด การกลืน หรือความจำ สาเหตุที่พบบ่อยที่สุดคือการอุดตันของหลอดเลือดในสมอง และวิธีที่ดีที่สุดในการป้องกันความเสียหายของสมองอย่างถาวรจากโรคหลอดเลือดสมองประเภทนี้คือการละลายหรือขจัดสิ่งอุดตันด้วยการผ่าตัดโดยเร็วที่สุด อย่างไรก็ตาม ตัวเลือกเหล่านี้ใช้ได้ในระยะเวลาสั้นๆ หลังจากเกิดโรคหลอดเลือดสมองและอาจเป็นอันตราย

วิธีการสังเคราะห์แสงนาโนช่วยแก้ปัญหานี้ได้

แม้ว่ายาดังกล่าวยังอยู่ในการทดสอบกับสัตว์ แต่สักวันหนึ่งนักวิจัยกล่าวว่ายาดังกล่าวจะคืบหน้าไปสู่การทดลองทางคลินิกในมนุษย์

อ่านเพิ่มเติม

นักวิทยาศาสตร์พบว่าทองคำที่อุดมด้วยคุณค่าพิเศษนั้นเกิดขึ้นเป็นโยเกิร์ต

ดาวมฤตยูได้รับสถานะของดาวเคราะห์ที่แปลกประหลาดที่สุดในระบบสุริยะ ทำไม?

นักวิทยาศาสตร์ได้ยิน "การสนทนา" ระหว่างสองอะตอม