personaling brain mapping
نقشه برداری از مغز با فناوری نانو

نقشه برداری از مغز انسان با فناوری نانو

طرح مغز (Brain Initiative) در بزرگترین پروژه جهان (نقشه برداری از مغز با فناوری نانو) برای شناخت ذهن، علوم اعصاب و فناوری نانو را ترکیب می کند. یک پروژه علمی جاه طلبانه جدید قصد دارد دقیقاً آنچه را که در سطح مغز در سلولهای عصبی رخ می دهد، باز کند. 

پروژه نقشه فعالیت مغز دارای سه هدف برای علوم اعصاب است:
1) اندازه گیری فعالیت مجموعه های بزرگ نورون ها در مدارهای پیچیده مغز
2) تجزیه و تحلیل محاسباتی و مدل سازی این مدارهای مغزی
3) آزمایش این مدل ها با دستکاری فعالیت مجموعه های عصبی منتخب در این مدارهای مغز.
 

 

درک جامع از مغز انسان یک مرز گنگ و دور از ذهن است. رسیدن به یک تئوری کلی در مورد عملکرد مغز می تواند یک اتفاق مهم تاریخی باشد، و علاوه بر بدست آوردن ریزداده های مغزی می توان بر علت و درمان اختلالات مغزی تسلط یافت.

 

شاید در مورد نقشه پیشنهادی فعالیت مغز (Brain Activity Map) شنیده باشید. پروژه ای که مانند پروژه ژنوم انسانی، به ذهن کارشناسان ضربه می زند تا در درک این زمینه پیشگام شوند.

 

 

متخصصین پروژه نقشه برداری از مغز با فناوری نانو

 

برای کمک به ساختن دستگاه های کوچکتر برای اندازه گیری فعالیت نورون های خاص و در ادامه کنترل عملکرد این سلول های عصبی به مهندسین و متخصصین نانوتکنولوژی (nanotechnologists) نیاز خواهیم داشت.

دانشمندان علوم کامپیوتر برای توسعه روش هایی جهت ذخیره و تجزیه و تحلیل مقادیر عظیم داده های تصویربرداری و فیزیولوژیکی و ایجاد مدل های مجازی برای مطالعه عملکرد مغز تلاش می کنند.

همچنین این پروژه نیازمند دانشمندان علوم اعصاب متخصص و باتجربه جهت هدایت تحقیق و تفسیر نتایج می باشد.

 

رشته های عصبی مغز
 

دانشمندان علوم اعصاب برای مطالعه نورون ها و مدارهای عصبی با حداقل آشفتگی و همچنین مطالعه کامل مغز انسان به ابزارهای جدیدی نیاز دارند. این ابزارها ممکن است شامل دستگاههای نانو ذره فعال و “هوشمند” تعبیه شده در مغز باشد که از فعالیت مدار عصبی بصورت بی سیم (wireless) گزارش بدهند.

و یا شامل روش های کاملاً جدید سنجش از راه دور دینامیک مدار عصبی از خارج بدن باشند. بنابراین پیشرفت های قابل توجه در فناوری نانو و فناوری نانو نقش اصلی را در انتقال، گزارش دهی، قدرت و ارتباطات این پروژه دارند.

با توجه به پیشرفت های شفاف استراتژی های ساخت مواد نانو، تلاش برای مطابقت با اندازه دستگاه هایی که فعالیت نورونی را با اندازه نورون های خاصی اندازه گیری و کنترل می کنند، اجباری و اجتناب ناپذیر به نظر می رسد.

 

تعدادی از زمینه هایی که بهترین روش های کمک کننده به دانشمندان جهت مطالعه نورونی مغز انسان بوده اند به اختصار آورده ایم:

 

الکتروفیزیولوژی

عمده ترین موانعی که در حال حاضر استفاده از کاوشگرهای نانو را محدود می کند، چالش های مهندسی ساخت سیستم های قدرت و ارتباطات کارآمد برای پیوند چنین پروب های عصبی با دنیای خارج و در عین حال جلوگیری از آسیب بافتی و پاسخ های نامطلوب سلولی است.

 

نقشه برداری فعالیت مغز با آرایه های الکترود نانو ساخته شده

نوآوری در تکنیک های تولید میکروالکترود باعث شده است که بطور همزمان بتوان نزدیک به 1000 مکان اندازه گیری توزیع شده در چندین ناحیه قشر مغز یک حیوان مستقر کرد، و همزمان الگوهای شلیک صدها نورون به طور موازی کنترل شود. استفاده از فناوری ساخت میکرو لوله ها و نانو لوله ها، چشم انداز ایجاد تعداد بیشتری الکترود و دستگاه های به مراتب کوچکتر و کمتر تهاجمی قابل کاشت(ایمپلنت) را ایجاد می کند.

 

مزایا و چالش های روش نقشه برداری مبتنی بر الکترود

 تحولات جدید در رابط نانو ذرات زیستی و تکنیک های ریزساختاری سه بعدی می تواند راهی برای غلبه بر برخی از محدودیت های میکرو الکترود مسطح مبتنی بر الکتروفیزیولوژی خارج سلولی باشد. الکترودهای سوزنی نانو می توانند واسط های الکتروفیزیولوژیکی قابل اعتماد برای سلول های قلب و سلولهای عصبی پستانداران، با ثبت واضح سلول به الکترود فراهم کنند.

 

لوند
آرایه نانوالکترود سه بعدی (3D-NEA) جهت بررسی داخل بدن(in vivo) شبکه های عصبی.

 

(a) تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از نه نانولوله سیلیکونی که منطقه فعال یک 3D-NEA را تشکیل می دهند. ابعاد الکترودهای نانولوله برای تسهیل اتصال الکتریکی درون سلولی تک سلولی طراحی شده است. رنگهای کاذب نکاتی با روکش فلزی (خاکستری) و عایق اکسید سیلیکون (آبی) را نشان می دهند.

(b) میکروگراف الکترونی روبشی از یک سلول قشر مغز موش (3 روز در شرایط آزمایشگاهی، رنگ زرد رنگ کاذب) در بالای یک پد الکترود (آبی رنگ کاذب)

ج) تحریک و ثبت نورونهای قشر مغز موش. آثار بالا نشان می دهد که پتانسیلهای عملیاتی (آبی: اندازه گیری شده توسط پیپت پچ) توسط پالسهای ولتاژ اعمال شده به نانوالکترودها (مگنتا) قابل اعتماد می باشد. به طور مشابه، ردپایهای پایین نشان می دهد که نانوالکترودها می توانند پتانسیلهای عملیاتی (مگنتا) تحریک شده توسط پیپت پچ (آبی) را ثبت کنند.

(د) میکروگراف الکترونی روبشی از یک دستگاه رابط مغزی سه بعدی نماینده شامل 24 پروب ، هر یک حاوی آرایه ای از سایت های فعال توزیع شده در طول آنها است. تصویر نوری اولیه از آرایه کاوشگر 3D (کپی رایت 2012 انجمن نوری آمریکا).

 

 

الکترونیک انعطاف پذیر و فعال گزینه بالقوه دیگری برای رابط های مدارهای عصبی و مغز است. پیشرفت قابل توجهی در زمینه های مدارهای خیلی ظریف و نازک، انعطاف پذیر، سبک، زیست سازگار انجام شده است.

 

یک چالش دیگر طول عمر الکترود است، که برای اطمینان از موفقیت رابط های دستگاه مغزی و مطالعات طولانی مدت که فعالیت مغز را به رفتار مرتبط می کند بسیار مهم و حیاتی است. یک نقطه عطف مهم در پرداختن به چالش های طول عمر الکترود می تواند یک کاوشگر نانو مقیاس بی سیم با حداقل تهاجم باشد تا بتواند خود را به یک نورون واحد متصل کند و فعالیت شلیک(ترشح و آزادسازی انتقال دهنده های عصبی در گیرنده های شیمیایی نورون ها) آن را برای بیش از یک سال گزارش کند. بهرحال پروژه نقشه برداری از مغز با فناوری نانو همیشه پرچالش خواهد بود.

 

برچسب زدن نانوذرات و گزارش دهی آن ها

 

طی چند دهه اخیر، توسعه ابزارهای دقیق تر و با اندازه گیری قابل تکرار برای نظارت و كنترل واكنش های شیمیایی، امکان ترکیب و سنتز انواع زیادی از نانوذرات، نانومواد و نانوساختارها را با تركیب، سازماندهی، فرم و عملکرد كنترل شده را میسر نموده است.

مثالها شامل تکامل فولرین ها، نانولوله های کربنی و گرافن، سیستم های موادی که در آن می توان با رسوب دقیق بخار کربن با کنترل دقیق هندسه و پیوند، ویژگیهای الکتریکی و مکانیکی مطلوب را بدست آورد.

 

برخی دانشمندان در رویای نانولوله هایی با خواص الکتریکی نوری فعال هستند، به طوری که آنها تبدیل به فرستنده سیگنال عصبی خود نیرو(self-powered) شوند، اما احتمال می رود فعالیت آن ها به مسیرهای متابولیکی مغز ضربه بزنند.

 

ابزارهای جدید تصویربرداری

 

تفحص نوری (Optical interrogation) از جمعیت سلولهای عصبی در حیوانات سالم به شدت به دو چیز بستگی دارد:

• توانایی ارسال نور به طور کارآمد به مغز

• توانایی بیرون آمدن نور از مغز

 

این مشکلات در زمینه یک سلولی دشوار بوده و در صورت نیاز به اندازه گیری همزمان موازی، چالش برانگیز تر می شوند. تکنیک های جدید پیشرفت هایی در ورودی نور به سیستم و همچنین آشکارسازهای اندازه گیری کننده نور خارج شده از نمونه را ارائه می دهند.

 

اپتوژنتیک Optogenetics

نقشه برداری فعالیت مغز کاملاً با اپتوژنتیک مرتبط است. (استفاده از نور برای کنترل رویدادهای تعریف شده در سلول های سیستم های بیولوژیکی زنده(بافت) و دست نخورده).

ابزارهای اپتوژنتیک خود دستگاه هایی با مقیاس نانو هستند که می توانند برای طبقات جدید کارکرد نقشه برداری فعالیت های مغزی مهندسی شوند و بر پایه روابط ساختاری-عملکردی مولکولی بنا می شوند.

 

هیبریدهای بیولوژیکی و بیولوژی مصنوعی

زیست شناسی مصنوعی به طور بالقوه می تواند رابط های سیستم هیبریدی را با اجزای ساخته شده غیر ارگانیک، از جمله ساختارها یا اتصالات فیبر نوری سه بعدی برای ایجاد سطح نوری بسیار بالا و multiplexing را فراهم کند؛ برای مثال، رساناهای نوری خیلی نازک طبیعی که در اسفنج های شیشه ای استفاده می شوند.

 

نظریه، مدل سازی و محاسبه

پروژه نقشه فعالیت مغز ممکن است ما را به پاسخگویی به سؤالات نهایی در مورد نحوه تفکر و تصمیم گیری ما نزدیک کند، که شامل فعالیت هماهنگ در تعداد زیادی نورون است که به طور گسترده در مغز انسان توزیع شده اند. شناخت اصول محاسبات عصبی نیز منجر به تولید دستگاه هایی جدید برپایه همین اصول خواهد شد.

نقشه برداری از مغز با فناوری نانو

 

پروژه نقشه برداری از مغز با فناوری نانو

در آوریل 2014، پرزیدنت اوباما یک پروژه علمی بسیار بلند پروازانه، ابتکار عمل “مغز” (تحقیقات مغزی از طریق پیشبرد فناوری های نوین مغزی) را اعلام کرد. اوباما برای این پروژه که حداقل 10 سال بطول خواهید کشید وعده حمایت مالی نقدی نقد – 100 میلیون دلار در سال 2014 و در کل تا میلیاردها دلار تا اتمام آن!!

 

 هدف پروژه نقشه مغزی این است که دقیقاً آنچه را که در سطح نورون های مغز انسان می گذرد، کشف کنیم تا ببینیم مغز انسان چگونه با احساسات، خاطرات، اعمال و آگاهی سروکار دارد.

 

 

مغز انسان و نانوتکنولوژی

 

برای درک این پدیده های پیچیده، مشخص است که فناوری نانو بسیار مهم است. پل ویس، متخصص علوم نانو در دانشگاه كالیفرنیا-لس آنجلس(UCLA) و یكی از عوامل اصلی این پروژه می گوید: “مغز همیشه نانو بوده است.”

 

سلول های عصبی 100 متری و 100 تنی اتصال مغز همه فراتر از نانومتر کار می کنند، بنابراین برای مطالعه مغز در مقیاس خود، روش های اندازه گیری در ابعاد نانو کاملاً ضروری است. اما بسیاری از فناوری ها و ابزاری که برای بررسی مغز مورد نیاز خواهد بود ، هنوز حتی در خواب دیده نمی شوند. متخصصان فناوری نانو باید مشغول کار شوند.

این عنصر ناشناخته از پروژه مغز(Brain project) کاملاً در تضاد با سایر سرمایه گذاری های بزرگ علمی مشترک مانند پروژه ژنوم انسان است، که توالی همه جفت های پایه را در مجموعه کاملی از DNA انسانی که به عنوان ژنوم شناخته می شود انجام داد.

 

نقشه برداری از مغز

 

 

هدف دانشمندان از پروژه نقشه برداری از مغز با فناوری نانو

 

ان اندروز ، متخصص فناوری نانو و علوم اعصاب همچنین در UCLA می گوید: “پروژه ژنوم انسان یک نقطه پایانی ثابت داشت.” در مورد ابتکار عمل مغز اینگونه نیست: “ما واقعاً نمی دانیم چه چیزی را می خواهیم پیدا کنیم.” “ما باید اعتماد داشته باشیم که وقتی می بینیم آن را می شناسیم.”

 

اما اندروز ایده خوبی دارد که می خواهد به کجا نگاه کند. او در حال تحقیق در مورد سروتونین، یكی از 100 انتقال دهنده عصبی (مولكول های كوچكی كه سیگنال های بین نورون ها را انتقال می دهند) است. انتقال دهنده های عصبی آزاد می شوند و سپس باید توسط یک مولکول دیگر(گیرنده) شناسایی شوند تا سیگنال آنها با موفقیت منتقل شود. سروتونین برای احساس سلامتی و نشاط مهم است و بیشتر داروهای ضد افسردگی با کنترل سطح سروتونین کار می کنند.

 

او می خواهد پیگیری کند که چگونه غلظت انتقال دهنده های عصبی با گذشت زمان تغییر می کند. فناوری های فعلی برای مشاهده این مولکول ها فقط می توانند به طور میانگین ​​تعداد سیگنال هایی را که همزمان اتفاق می افتد نشان دهند. این امر تا حدودی به این دلیل است که آشکارسازها نواحی بسیاری از میکرومترها را بجای نانومترهایی که نورون ها سیگنال های آنها را منتقل می کنند، پوشانده اند.

نقشه برداری از مغز با فناوری نانو

وی امیدوار است که کار او با همکاری سایر متخصصین حوزه فناوری های نانو، منجر به حسگرهایی شود که اندازه آن چند نانومتر باشد و می توان بطور موازی در بسیاری از موارد بطور همزمان از آنها استفاده شود.

 

اندروز امیدوار است که مولکول های با سطح کوچک نانو را با سیمهای نازک سیلیکونی و یا نانولوله های کربنی متصل کند. شیمی در اینجا اهمیت پیدا می کند ، زیرا باید مولکول های گیرنده مصنوعی ساخته شوند که نه تنها می توانند مولکول های منفرد سروتونین را انتخاب کنند بلکه می توانند خود را به سطح سنسور نانو متصل کنند و دستخوش تغییر شوند که با استفاده از نور یا الکتریسیته قابل تشخیص است.

 

 

چالش های پروژه نقشه برداری مغز

 

تهیه سطحی که نانو مواد توسط یک گیرنده مصنوعی پذیرفته شوند یک شاهکار نیست، اما دانشمندان با بدست آوردن موادی که برای ساختن خود در فرایندی به نام خود مونتاژ ، روی راه های انجام آن کار می کنند. محققان این پروژه می گویند: مولکول هایی که با دقت طراحی شده اند می توانند به هم بپیوندند و شکاف هایی با اندازه مولکول ایجاد کنند تا این گیرنده ها به یکدیگر متصل شوند.

 

یکی دیگر از اعضای تیم پروژه نقشه برداری از مغز با فناوری نانو که ایده آنچه را که در نهایت آغازگر مغز شد را مطرح کرد، رافائل یوست ، دانشمند علوم اعصاب در دانشگاه کلمبیا-نیویورک است. او امیدوار است با مطالعه سیگنال های الکتریکی ارسال شده، تصویری واضح تر از چگونگی و زمان ارتباط نورون ها به دست آورد.

شکاف بزرگی بین اینکه بتوانیم به یک نورون منفرد و جداگانه نگاه کنیم و به رفتار متوسط ​​کل مغز یا منطقه ای از مغز بپردازیم که مثلاً در یک تصویر رزونانس مغناطیسی عملکردی (fMRI) دیده می شود وجود دارد. یوست می گوید: “ما نیاز به فاصله داریم.”

 

الماس

 

 

نانو الماس ها به کمک دانمشندان می آیند!!

 

یوست فکر می کند فناوری نانو می تواند این شکاف را پر کند. نانوذرات که به نوعی در پاسخ به ولتاژ تغییر می کنند می توانند ولتاژی را که نورون ها در مقیاس یک نورون واحد شلیک می کنند را به یک سیگنال نوری تبدیل کنند.

 

حساس ترین مواد برای تغییر ولتاژ الماس های با اندازه نانو است.

 

شاید گمان می کند، نانو الماس هایی (nanodiamonds) که به طور خاص با نقص ساخته شده اند و باعث تغییر رنگ می شوند، می توانند به سلول های عصبی منفرد متصل شده و یا به کل مغز پاشیده شوند. بنابراین هنگامی که یک نورون سیگنال ولتاژ خود را شلیک کند، نانوالماس تغییر رنگ می دهد و سیگنال ثبت می شود.

 

نانوذرات نیمه هادی در نقشه برداری از مغز با فناوری نانو

 

نانوذره کوچک دیگر تولید شده از مواد نیمه هادی، به نام نقاط کوانتومی(quantum dots)، می توانند برای گزارش در مورد اتفاقات درون مغز تحت کنترل درآید. در صورت قرار دادن صحیح در مغز، این ذرات با ویژگی های نورانی(luminescent) خاص خود می توانند توسط سیگنال ولتاژ تغییر کنند.

البته بازگشت سیگنال به خارج از مغز نیز یکی دیگر از چالش های هر یک از این فناوری ها است.

 

الکتروهای نانو در نقشه برداری از مغز

 

چشم انداز و نتایج نقشه برداری از مغز با فناوری نانو

 

هنگام فکر کردن به دستکاری مغز، الکترودها به ذهنمان خطور می کنند. به جای اینکه از 64 الکترود امکان پذیر با فناوری فعلی استفاده شود، نانوتکنولوژی می تواند آرایه هایی با 100000 الکترود یا بیشتر ایجاد کند، که تمام نانومترها را در سراسر آن و به شکلی کاملاً مناسب برای گرفتن سیگنال از نورون های مجزا قرار دهد. یوست فکر می کند که می تواند در سطوح این نانو مواد تغییر ایجاد کند و کار اندروز بر روی آن متمرکز شده است تا تغییرات شیمیایی در مغز را نیز انتخاب کند.

 

ویس آرزوی دیگری دارد – او می خواهد كه این پروژه فراتر از خواندن آنچه مغز در طی فعالیت های خاص انجام می دهد، فراتر رود. او می خواهد پروژه تا جایی پیش برود که امکان تحریک مغز وجود داشته باشد و سپس پاسخ را بخواند.

 

اگر برخی از ایده های ویس، اندروز و یوستو در حال حاضر مبهم بنظر می رسند، به این دلیل است که آنها هنوز وجود ندارند!! یوست می گوید: “در بازه های زمانی کوتاه ما بر روی فن آوری های موجود متمرکز خواهیم شد، اما در مدت زمان 5 تا 10 سال انواع جدیدی از فناوری ها را خواهیم دید که اکنون از آنها نمی دانیم.”

آنچه روشن است این است که فناوری نانو تنها راهی برای گرفتن تصویری شفاف در مورد نحوه عملکرد مغز خواهد بود. با دانش “نقشه برداری از مغز با فناوری نانو”، درمانها و داروهای جدید آسان تر ساخته خواهند شد و مغز انسان ممکن است کم تر مبهم شود.

 

 

 

 

✍ ترجمه و تالیف در تیم تولید محتوای فروشگاه اینترنتی نانویاب

❤ خیلی خوشحال میشیم نظرات یا سوالتتون رو در دیدگاه های همین پست با ما در میان بزارید