هذه الأداة الجديدة تتيح للعلماء مراقبة الدماغ وهو يفكر
قام العلماء بتحويل خلايا الدماغ إلى مصادر ضوئية صغيرة، مما يكشف عن عمل الدماغ كما لم يحدث من قبل.
منذ حوالي عشر سنوات، بدأ العلماء في استكشاف فكرة غير تقليدية لدراسة الدماغ: استخدام الضوء الحيوي لجعل النشاط العصبي مرئيًا. وبدلاً من تسليط الضوء على الدماغ من الخارج، تساءلوا عما إذا كان من الممكن هندسة الخلايا العصبية لتتوهج من تلقاء نفسها.
يقول كريستوفر مور، أستاذ علوم الدماغ في جامعة براون: «بدأنا نفكر: ماذا لو تمكنا من إضاءة الدماغ من الداخل؟». “يُستخدم تسليط الضوء على الدماغ لقياس النشاط – عادةً من خلال عملية تسمى الفلورسنت – أو لدفع النشاط في الخلايا لاختبار الدور الذي تلعبه. لكن إطلاق أشعة الليزر على الدماغ له جوانب سلبية عندما يتعلق الأمر بالتجارب، وغالبًا ما يتطلب أجهزة فاخرة ومعدل نجاح أقل. لقد توصلنا إلى أنه يمكننا استخدام التلألؤ البيولوجي بدلاً من ذلك.”
إطلاق مركز الإضاءة الحيوية
ساعدت هذه الفكرة في إنشاء مركز الإضاءة الحيوية في معهد براون كارني لعلوم الدماغ، والذي تم إطلاقه رسميًا في عام 2017. تم دعم هذا الجهد بمنحة كبيرة من مؤسسة العلوم الوطنية، وتم بناؤه على التعاون بين مور (المدير المساعد لمعهد كارني)، وديان ليبسكومب (مديرة المعهد)، ويوتي هوجيشفيندر (في جامعة ميشيغان المركزية)، وناثان شانر (في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو).
شرعت المجموعة في تصميم ومشاركة أدوات جديدة لعلم الأعصاب من خلال تمكين خلايا الجهاز العصبي من توليد الضوء والاستجابة له.
يلتقط هذا الفيديو خلايا هيلا في المختبر والتي تم تصميمها لإنتاج الضوء ذاتيًا.
تقديم CaBLAM، أداة جديدة للدماغ ذات الإضاءة الحيوية
وفي دراسة نشرت في مجلة Nature Methods، وصف الباحثون نظام التصوير المضيء بيولوجيًا الذي قاموا بإنشائه مؤخرًا. تُعرف هذه الأداة باسم Ca2+ BioLuminescent Activity Monitor (أو “CaBLAM” باختصار)، وهي قادرة على التقاط النشاط على مستوى الخلايا الفردية وحتى الهياكل الخلوية الأصغر. إنه يعمل بشكل جيد في الفئران وسمك الزرد، ويدعم التسجيلات التي تستمر لعدة ساعات، ويلغي الحاجة إلى الإضاءة الخارجية.
وقال مور إن شانر، وهو أستاذ مشارك في علم الأعصاب وعلم الصيدلة في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو، قاد تطوير الجهاز الجزيئي الذي جعل CaBLAM ممكنا. قال مور: “إن CaBLAM هو جزيء مذهل حقًا ابتكره ناثان”. “إنها ترقى إلى مستوى اسمها.”
لماذا يهم تتبع نشاط خلايا الدماغ؟
وأوضح مور أن فهم كيفية تصرف خلايا الدماغ الحية مع مرور الوقت أمر ضروري لدراسة كيفية عمل الأنظمة البيولوجية. واليوم، يعتمد معظم الباحثين على طرق التصوير التي تستخدم مؤشرات أيون الكالسيوم المشفرة وراثيًا والمعتمدة على التألق.
قال مور، الذي يقود مركز الإضاءة الحيوية: “في الطريقة التي يعمل بها الفلورسنت، تقوم بتسليط أشعة الضوء على شيء ما، وتحصل على طول موجي مختلف من أشعة الضوء مرة أخرى”. “يمكنك جعل هذه العملية حساسة للكالسيوم حتى تتمكن من الحصول على البروتينات التي ستحول كمية مختلفة أو لونًا مختلفًا من الضوء، اعتمادًا على وجود الكالسيوم أم لا، مع إشارة مشرقة.”
عيوب تصوير الدماغ الفلورسنت
وعلى الرغم من استخدام مجسات الفلورسنت على نطاق واسع، إلا أن مور قال إنها تأتي مع قيود خطيرة عند تطبيقها على أبحاث الدماغ. التعرض لفترات طويلة للضوء الخارجي المكثف يمكن أن يؤدي إلى تلف الخلايا. يمكن للإضاءة عالية الطاقة أيضًا أن تغير جزيئات الفلورسنت بحيث تتوقف عن إصدار ما يكفي من الضوء، وهي عملية تعرف باسم التبييض الضوئي والتي تحد من المدة التي يمكن أن تستمر فيها التجارب. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب توصيل الضوء إلى الدماغ عادةً معدات غازية مثل الليزر والألياف الضوئية.
لماذا تعمل الإضاءة الحيوية بشكل أفضل
التصوير بالإضاءة الحيوية يتجنب العديد من هذه المشاكل. في هذا النهج، يتم إنتاج الضوء داخليًا عندما يقوم إنزيم بتكسير جزيء صغير محدد. نظرًا لعدم الحاجة إلى ضوء خارجي ساطع، لا يوجد أي تبييض ضوئي أو تأثير سام ضوئي، مما يجعل الطريقة أكثر أمانًا لأنسجة المخ.
كما أنه يحسن الرؤية.
وقال شانر: “إن أنسجة المخ تتوهج بشكل خافت من تلقاء نفسها عندما تتعرض للضوء الخارجي، مما يخلق ضجيجًا في الخلفية”. “علاوة على ذلك، تشتت أنسجة المخ الضوء، مما يؤدي إلى تشويش كل من الضوء الداخل والإشارة الخارجة. وهذا يجعل الصور خافتة وأكثر ضبابية، ويصعب رؤيتها بعمق داخل الدماغ. لا ينتج الدماغ بشكل طبيعي تلألؤ بيولوجي، لذلك عندما تتوهج الخلايا العصبية المهندسة من تلقاء نفسها، فإنها تبرز على خلفية مظلمة دون أي تدخل تقريبًا. ومع التلألؤ البيولوجي، تعمل خلايا الدماغ مثل المصابيح الأمامية الخاصة بها: ما عليك سوى مشاهدة الضوء الخارج، وهو أمر أسهل بكثير في رؤيته حتى عندما تكون متناثرة. الأنسجة.”
وأشار مور إلى أنه بينما ناقش الباحثون استخدام التلألؤ البيولوجي لدراسة نشاط الدماغ لعقود من الزمن، فشلت المحاولات السابقة في توليد ضوء ساطع بدرجة كافية للتصوير التفصيلي. وقد تم الآن التغلب على هذا القيد.
الاختراق وراء CaBLAM
قال مور: “البحث الحالي مثير لأسباب كثيرة”. “لقد وفرت هذه الجزيئات الجديدة، لأول مرة، القدرة على رؤية الخلايا المفردة نشطة بشكل مستقل، كما لو كنت تستخدم كاميرا سينمائية خاصة وحساسة للغاية لتسجيل نشاط الدماغ أثناء حدوثه.”
باستخدام CaBLAM، يستطيع العلماء مراقبة سلوك الخلايا العصبية الفردية داخل حيوانات المختبر الحية، بما في ذلك النشاط داخل أجزاء مختلفة من خلية واحدة. في الدراسة، قدم الفريق نتائج جلسة تسجيل استمرت بشكل مستمر لمدة خمس ساعات، وهو أمر لم يكن ممكنا مع التقنيات التقليدية القائمة على التألق.
وقال مور: “لدراسة السلوك المعقد أو التعلم، تسمح الإضاءة الحيوية للشخص بالتقاط العملية بأكملها، مع استخدام عدد أقل من الأجهزة”.
توسيع إمكانيات أبحاث الدماغ
يعد مشروع CaBLAM جزءًا من جهد أكبر في Bioluminescent Hub لتطوير طرق جديدة لمراقبة نشاط الدماغ والتأثير عليه. يستخدم أحد المشاريع الجارية خلية حية لإصدار وميض من الضوء يمكن اكتشافه بواسطة خلية مجاورة، مما يسمح للخلايا العصبية بالتواصل باستخدام الضوء نفسه (ما يسميه مور “إعادة توصيل الدماغ بالضوء”). ويعمل الفريق أيضًا على طرق تستخدم الكالسيوم للتحكم في السلوك الخلوي.
ومع تقدم هذه المشاريع، أدرك الباحثون أن أجهزة استشعار الكالسيوم الأكثر سطوعًا وفعالية كانت ضرورية لهم جميعًا. وقال مور إن تحسين هذه المستشعرات أصبح منذ ذلك الحين محورًا رئيسيًا.
وقال مور: “لقد تأكدنا من أننا كمركز يحاول دفع المجال إلى الأمام، قمنا بإنشاء القطع المكونة الضرورية”.
ما وراء الدماغ
ويعتقد مور أنه يمكن استخدام CaBLAM في نهاية المطاف لدراسة النشاط في أجزاء أخرى من الجسم، وليس فقط الدماغ.
وقال مور: “يسمح هذا التقدم بمجموعة جديدة كاملة من الخيارات لرؤية كيفية عمل الدماغ والجسم، بما في ذلك تتبع النشاط في أجزاء متعددة من الجسم في وقت واحد”.
وأضاف أن المشروع يسلط الضوء على قوة العلوم التعاونية. ساهم ما لا يقل عن 34 باحثًا في العمل، يمثلون شركاء Bioluminescent Hub مثل جامعة براون، وجامعة سنترال ميشيغان، وجامعة كاليفورنيا في سان دييغو، وجامعة كاليفورنيا، ولوس أنجلوس، وجامعة كاليفورنيا. جامعة نيويورك.
المرجع: “CaBLAM: ضوء حيوي عالي التباين Ca2+ مؤشر مشتق من المهندسة أوبلوفوروس جراسيليروستريس لوسيفيراز” بقلم جيرارد ج. لامبرت، إيمانويل إل. كريسبو، جيريمي ميرفي، كيفن إل. تورنر، إميلي غيرشويتز، ميكايلا كننغهام، دانييلا بوسا، سيلينا لونج، دميتريس سيلينسكيس، جوستين جيه. ألين، ستيفاني فين، يونلو تشو، مورسيل كاراداس، جياكون تشين، روبرتا ماريسكا، هانا جيلناو، دانييل ك. نجوين، جونرو هو، بريتاني إن. سبريشر، مايا أو. تري، ريتشارد أوركت، دانييل حيدري، إيدان بي. بيل، ألبرتينا توريبلانكا-زانكا، علي حكيمي، تيم زوبكا، شي شوهام، كاثرين آي. ناجل، ديفيد شوبيك، أرتورو أندرادي، ديان ليبسكومب، كريستوفر آي. مور، أوتي هوجيششفيندر، وناثان سي. شانر، 2 ديسمبر 2025, طرق الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41592-025-02972-0
تم توفير التمويل من قبل المعاهد الوطنية للصحةوالمؤسسة الوطنية للعلوم ومؤسسة عائلة بول جي ألين.
لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.
تنويه من موقعنا
تم جلب هذا المحتوى بشكل آلي من المصدر:
yalebnan.org
بتاريخ: 2025-12-28 23:48:00.
الآراء والمعلومات الواردة في هذا المقال لا تعبر بالضرورة عن رأي موقعنا والمسؤولية الكاملة تقع على عاتق المصدر الأصلي.
ملاحظة: قد يتم استخدام الترجمة الآلية في بعض الأحيان لتوفير هذا المحتوى.
