हाई-स्पीड इमेजिंग जागृत चूहों में मस्तिष्क कोशिका गतिविधि को लाइव ट्रैक करती है

हांगकांग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (एचकेयूएसटी) के स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग की एक शोध टीम ने लगभग गैर-आक्रामक तरीके से जागृत प्रयोगात्मक चूहों के मस्तिष्क की उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवियों को कैप्चर करने के लिए दुनिया की पहली तकनीक विकसित करके मस्तिष्क इमेजिंग में एक सफलता हासिल की है।

एनेस्थीसिया की आवश्यकता को समाप्त करके, यह नवाचार वैज्ञानिकों को मस्तिष्क के ऊतकों का उसकी पूर्ण कार्यात्मक अवस्था में अध्ययन करने में सक्षम बनाता है। यह प्रगति स्वस्थ और रोगग्रस्त दोनों स्थितियों में मानव मस्तिष्क के कामकाज में गहरी अंतर्दृष्टि का वादा करती है, जिससे तंत्रिका विज्ञान अनुसंधान में नए मोर्चे खुलते हैं।

अध्ययन हाल ही में हुआ था प्रकाशित में प्रकृति संचार एक पेपर में जिसका शीर्षक है “रैपिड एडाप्टिव ऑप्टिक्स, जागृत व्यवहार करने वाले चूहों में लगभग गैर-आक्रामक उच्च-रिज़ॉल्यूशन मस्तिष्क इमेजिंग को सक्षम करता है।”

मानव मस्तिष्क असाधारण रूप से जटिल है, और वैज्ञानिक लंबे समय से मस्तिष्क इमेजिंग प्रौद्योगिकियों के माध्यम से इसके कार्यों को उजागर करने की कोशिश कर रहे हैं। हालाँकि, मौजूदा विधियाँ, जैसे कि चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई), इलेक्ट्रोएन्सेफलोग्राफी (ईईजी), कंप्यूटेड टोमोग्राफी (सीटी), और पॉज़िट्रॉन एमिशन टोमोग्राफी (पीईटी), मस्तिष्क गतिविधि के बारीक संरचनात्मक और कार्यात्मक विवरणों को प्रकट करने की उनकी क्षमता में सीमित हैं।

मनुष्यों के समान आनुवंशिक और जैविक समानता के कारण, चूहों को अल्जाइमर, हंटिंगटन रोग और मिर्गी जैसे न्यूरोलॉजिकल विकारों के उपचार के साथ-साथ विभिन्न कैंसर और टीका प्रभावकारिता के उपचार का अध्ययन करने के लिए मॉडल जीवों के रूप में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। हालाँकि, एनेस्थीसिया रक्त परिसंचरण, ग्लियाल सेल आकृति विज्ञान और न्यूरोनल गतिविधि को गहराई से बदल देता है, जिससे जागृत जानवरों से प्राप्त परिणामों की तुलना में कम विश्वसनीय प्रयोगात्मक परिणाम मिलते हैं। इसके अलावा, जागते चूहों में प्राकृतिक हलचलें अक्सर स्कैन की गई छवियों को धुंधला कर देती हैं, जिससे मस्तिष्क की बारीक संरचनाओं के अवलोकन में बाधा आती है।

नई तकनीक, जिसे मल्टीप्लेक्सिंग डिजिटल फोकस सेंसिंग एंड शेपिंग (एमडी-एफएसएस) कहा जाता है, स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग के इलेक्ट्रॉनिक और कंप्यूटर इंजीनियरिंग विभाग (ईसीई) के प्रोफेसर प्रोफेसर क्यूयू जियानान के नेतृत्व वाली एक टीम द्वारा विकसित की गई थी। यह नवप्रवर्तन प्रोफेसर क्यू के पहले के काम, “एनालॉग लॉक-इन फेज़ डिटेक्शन फोकस सेंसिंग एंड शेपिंग (अल्फा-एफएसएस)” पर आधारित है, जो में प्रकाशित हुआ था। प्रकृति जैव प्रौद्योगिकी 2022 में.

अल्फा-एफएसएस ने तीन-फोटॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके मस्तिष्क इमेजिंग में उपसेलुलर रिज़ॉल्यूशन हासिल किया। इसकी उच्च सटीकता और उच्च सुधार क्रम के बावजूद, जागते जानवरों के मस्तिष्क के मुद्दों की उच्च-गुणवत्ता वाली छवियों को कैप्चर करने के लिए इसकी स्कैनिंग गति बहुत धीमी थी, जहां प्राकृतिक गतिविधियों के कारण धुंधलापन आ जाता था।

इसके अलावा, खोपड़ी की मोटाई और घनत्व आने वाली रोशनी को दृढ़ता से अवशोषित और बिखेरता है, जिससे दो-फोटॉन माइक्रोस्कोपी की इसे भेदने की क्षमता गंभीर रूप से सीमित हो जाती है। यहां तक ​​कि सतही मस्तिष्क क्षेत्रों में भी, छवि गुणवत्ता खराब हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप इमेजिंग प्रदर्शन खराब हो जाता है।

अधिक स्पष्ट छवियाँ, गति दस गुना बढ़ गई

इन चुनौतियों का समाधान करने के लिए, टीम ने एमडी-एफएसएस विकसित किया, जो बिंदु प्रसार फ़ंक्शन (पीएसएफ) के माप को काफी तेज कर देता है – माइक्रोस्कोप के तहत एक बिंदु जैसी वस्तु की त्रि-आयामी छवि। यह अभूतपूर्व विधि मस्तिष्क के भीतर नॉनलाइनियर हस्तक्षेप उत्पन्न करने के लिए एक मजबूत प्राथमिक बीम के साथ-साथ कई स्थानिक रूप से अलग कमजोर लेजर बीम को निर्देशित करती है। प्रत्येक किरण एक अद्वितीय आवृत्ति पर एन्कोडेड होती है और अलग-अलग स्थानिक जानकारी रखती है।

डिजिटल चरण डिमॉड्यूलेशन के माध्यम से समानांतर डिकोडिंग के माध्यम से – शोर पृष्ठभूमि से कमजोर संकेतों को निकालने के लिए एक शक्तिशाली तकनीक – सिस्टम गतिशील मस्तिष्क गतिविधि को ट्रैक करते हुए और तेज, सटीक छवियों का उत्पादन करते हुए, 0.1 सेकंड से भी कम समय में पीएसएफ माप प्राप्त करता है, जो पिछले तरीकों की तुलना में दस गुना अधिक तेज है।

मल्टीफोटोन माइक्रोस्कोपी का रिज़ॉल्यूशन ईईजी और सीटी जैसे पारंपरिक तरीकों की तुलना में सैकड़ों से हजारों गुना अधिक है, जो व्यक्तिगत न्यूरॉन्स, प्रतिरक्षा कोशिकाओं और यहां तक ​​कि बेहतरीन केशिका संरचनाओं और उनके कार्यों के अवलोकन की अनुमति देता है।

“एडेप्टिव ऑप्टिक्स थ्री-फोटॉन माइक्रोस्कोपी” विकसित करने के लिए एमडी-एफएसएस को मल्टीफोटोन माइक्रोस्कोपी के साथ एकीकृत करके, अनुसंधान टीम ने मस्तिष्क की प्रतिरक्षा कोशिकाओं में कार्यात्मक परिवर्तनों को ट्रैक करने, सबसे छोटी मस्तिष्क वाहिकाओं में रक्त के प्रवाह को मापने, संज्ञानात्मक और संवेदी प्रसंस्करण के दौरान न्यूरोनल गतिविधि की निगरानी करने और मस्तिष्क कोशिकाओं और वास्कुलचर के बीच बातचीत को पकड़ने के लिए प्रौद्योगिकी की क्षमता का प्रदर्शन किया।

प्रोफेसर क्यू ने कहा, “जागते हुए जानवरों में इस तरह के विस्तृत, लगभग गैर-आक्रामक और वास्तविक समय के अवलोकन पहले असंभव थे। इस उपन्यास अनुकूली प्रकाशिकी तकनीक की तीव्र विपथन-सुधार क्षमता के साथ, उच्च गुणवत्ता वाली इमेजिंग अब विषय के मस्तिष्क को नुकसान पहुंचाए बिना प्राप्त की जा सकती है।

“अब हम न्यूरोनल, ग्लियाल और संवहनी गतिकी को उनकी प्राकृतिक शारीरिक अवस्था में उपसेलुलर रिज़ॉल्यूशन पर पकड़ सकते हैं – एनेस्थीसिया के जटिल प्रभावों से मुक्त। यह सफलता स्वास्थ्य और बीमारी दोनों में मस्तिष्क के कार्य को समझने के लिए पूरी तरह से नए रास्ते खोलती है।”

भविष्य के तंत्रिका विज्ञान के लिए एक स्केलेबल मंच

एमडी-एफएसएस को भविष्य की स्केलेबिलिटी के लिए इंजीनियर किया गया है। पीएसएफ माप के लिए आठ बीमों का उपयोग करने वाली वर्तमान प्रणाली को दर्जनों या यहां तक ​​कि सैकड़ों तक विस्तारित किया जा सकता है, जिससे तेज और व्यापक इमेजिंग सक्षम हो सके क्योंकि प्रकाश-नियंत्रण प्रौद्योगिकियों में प्रगति जारी है।

प्रोफेसर क्यू ने कहा, “हमारा नवीनतम कार्य एक वृद्धिशील सुधार से कहीं अधिक का प्रतिनिधित्व करता है। अब हमारे पास एक बहुमुखी मंच है जिसे तेजी से इमेजिंग के लिए बढ़ाया जा सकता है, बड़े मस्तिष्क क्षेत्रों में विस्तारित किया जा सकता है, और कार्यात्मक परख के साथ एकीकृत किया जा सकता है।

“यह न्यूरो वैज्ञानिकों को तेजी से मस्तिष्क की घटनाओं, जटिल नेटवर्क इंटरैक्शन और रोग की प्रगति की जांच करने के लिए सशक्त बनाएगा जो पहले तकनीकी रूप से अप्राप्य थे – सीखने, स्मृति, मानसिक स्वास्थ्य और तंत्रिका संबंधी विकारों में परिवर्तनकारी खोजों के द्वार खोलेंगे।”