دوشنبه, 20 شهریور 1396 15:11

استفاده از روبات‌ها در مطالعه سلول‌های مغزی

سایت ScienceDaily – محققان با موفقیت به روبات‌ها یاد دادند تا تکنیک‌های مربوط به مطالعه مغز بسیار دشواری را انجام دهند که تا پیش از این تنها توسط تعداد معدودی از افراد به طور ماهرانه قابل انجام بود.

  الکتروفیزیولوژی پچ-کلامپ تمام سلولی یا ثبت تمام سلولی (patch-clamp or whole cell recording-WCR)، تکنیک گلد استاندارد برای مطالعه‌ی رفتار نورون‌ها در شرایط گوناگون مانند استرس و یادگیری به شمار می رود.

  این روش از زمان ایجاد آن در دهه 1970 در مطالعه مغز پستانداران استفاده شده است و به دانشمندان کمک می کند تا عملکرد مغز و اختلالات آن (همچون آلزایمر) را مورد مطالعه قرار دهند. این کار به کمک بررسی فعالیت الکتریکی تک نورون­ها در مغز پستاندار زنده صورت می گیرد که کمک می کند تصویر بزرگتری از عملکرد مغز به عنوان یک اندام کامل به دست آید. اطلاعات حاصله در درک نقش فعالیت الکتریکی در اختلالات مغز انسان استفاده می شوند.

  با تمام اوصاف، ثبت تمام سلولی (WCR)  افزون بر آن، این تکنیک به حرکات بسیار دقیقی برای یافتن نورون‌ها و سپس ثبت درست فعالیت الکتریکیشان نیاز دارد. از این رو تنها تعداد بسیار کمی از آزمایشگاه‌های سرتاسر دنیا تخصص استفاده از این تکنیک را دارا هستند.

  حال برای نخستین بار، تیمی از دانشمندان اقدام به طراحی روبات و برنامه ای کامپیوتری کرده اند که قادر است، بدون دخالت انسانی، ابزارهای اندازه گیری بسیار ریزی به نام میکروپیپت را به نورون‌های خاصی در مغز موش زنده هدایت کرده و به ثبت جریان‌های الکتریکی این نورون­ها بپردازد. این روبات، اولین وسیله‌ی تمام خودکار گزارش شده برای این منظور به شمار می رود.

  پروفسور شوالتز، مدیر این پروژه در این باره بیان کرده است: « برای درک مغز به عنوان یک اندام کامل، نیاز است که بدانیم نورون‌ها چگونه با یکدیگر همکاری کرده و ارتباط برقرار می کنند. نورون‌ها به خودی خود، ساختارهایی پیچیده هستند که با استفاده از سیگنال‌های مولکولی و الکتریکی به نورون‌های مجاور خود و به مغز، به عنوان یک ساختار یکپارچه، اطلاعات می­فرستند. علاوه بر این، نورون‌ها بسته به اینکه سالم باشند یا نه (به دلیل اختلالات مغزی خاص) رفتار متفاوتی از خود بروز می دهند. تکنیک WCR راهی است که به کمکش می توانیم بر روی این سلول‌ها و نحوه‌ی ارتباطشان با یکدیگر جاسوسی کنیم.

  در عین حال، اندازه گیری ساختارهایی که با چشم غیرمسلح انسان قابل دیدن نیستند، نیازمند روش‌های بسیار دقیق و بی اشتباه است. تا اینجای کار موفق شده ایم این کار را با موفقیت انجام دهیم، ولی حالا ما به روبات‌ها یاد داده ایم که نورون‌ها را "ببینند" و این تکنیک را به شکل حتی بهتری انجام دهند. یعنی حالا می توان WCR را در سطح گسترده­تری انجام داد که می تواند به یادگیری ما از مغز و اختلالاتش سرعت ببخشید.»

  روش سنتی و متداول انجام WCR اینگونه است که دانشمندان نورونی خاص را با پروتئین یا رنگ فلوئوروسنت علامت گذاری می کنند. این کار توسط هدایت یک بازوی روباتی به نورون انجام می شود. هدایت ذکر شده با ارسال پالس‌های الکتریکی به درون مغز از طریق پیپتی حاوی مایعی هادی برای جریان الکتریکی رخ می دهد. سپس پالس‌ها درون مغز منتشر می شوند تا اینکه میکروپیپت به نزدیکی یک نورون برسد. نزدیک شدن به نورون با ایجاد سد یا بلاکی در سیگنال الکتریکی، به فرد یا روبات اپراتور اطلاع می دهد که چه زمانی حرکت میکروپیپیت را متوقف کند.

  در این زمان میکروپیپت به بیرون سلول متصل شده و با ایجاد فشار مکشی به غشا نفوذ می کند. اکنون هرگونه سیگنال الکتریکی نورون از طریق میکروپیپت و مایع هادی به کامپیوتر مننقل می گردد.

  روش جدیدی که در مطالعه پروفسور شوالتز گزارش شده است، نشان می دهد که چگونه یک روبات قادر است این فرایند را به طور خودکار و بدون هیچ دخالت انسانی انجام دهد. به طوریکه در مقایسه­ای که توسط تیم تحقیقاتی این مطالعه بین روش نوین با رویکرد سنتی صورت گرفت، معلوم شد که روبات سریع‌تر و دقیق‌تر از همتای انسانی اش عمل می کند. یافته‌های این مطالعه در مجله‌ی Neuron به چاپ رسیده است.

  خودکارسازی فرایند شاید به این معنی باشد که حالا از این تکنیک میتوان به شکل بسیار گسترده‌تری در سطح جهان بهره برد، حتی در آزمایشگاه‌هایی که تخصصی در استفاده آن تکنیک ندارند.

  دکتر آنچینو نویسنده اصلی این مقاله می گوید : اگرچه این فرایند سال‌هاست که وجود داشته است، ما انسان‌ها هنوز در انجام آن با دشواری مواجه می­شویم. با این وجود، این تکنیک آن قدر در افزایش درک نسبت به مغز پستانداران ارزشمند است که مورد ایده آلی برای خودکارسازی روباتی به شمار می رود. هدف ما تجاری کردن این نرم افزار است تا گروه‌های تحقیقاتی در تمام دنیا بتوانند از آن سود ببرند.

  این تیم تحقیقاتی از این پس به مطالعه‌ی چگونگی ایجاد اختلال در مدارهای مغزی توسط پلاک‌های آمیلوئید بیماری آلزایمر خواهند پرداخت. دکتر آنچینو افزود: نهایتا، مشکلات بیماری آلزایمر ناشی از تغییر در قابلیت پردازش اطلاعات توسط شبکه‌های مربوط به هر سلول مغزی است. این دقیقا همان چیزی است که می توانیم به کمک تکنیک طراحی شده به بررسی اش بپردازیم.