मस्तिष्क के भीतर गहराई से न्यूरॉन्स पर नज़र रखने के लिए एक क्रांतिकारी तरीका

MIT गहरी, अंतःकोशिकीय गैर-मस्तिष्क मस्तिष्क इमेजिंग के लिए नई विधि बनाता है

स्रोत: कॉफी / पिक्साबे

न्यूरोसाइंस में एक बड़ा अवरोधक शोधकर्ताओं के लिए एक जीवित, अध्ययन मस्तिष्क पर सर्जरी या प्रत्यारोपण जांच के बिना अध्ययन करने की क्षमता है। आज मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (एमआईटी) के शोधकर्ताओं ने एक जीवित मस्तिष्क में गहराई से न्यूरॉन संकेतों की निगरानी के लिए एक नई विधि की घोषणा की और प्रकृति संचार में अपने वैज्ञानिक निष्कर्ष प्रकाशित किए ।

न्यूरोसाइंटिस्ट न्यूरॉन्स का निरीक्षण कैसे करते हैं?

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आधुनिक वैज्ञानिक कई वर्षों से कैल्शियम इमेजिंग का उपयोग करके न्यूरॉन्स का अध्ययन कर रहे हैं। कैल्शियम एक अच्छा संकेतक है क्योंकि सक्रिय होने पर आराम करने पर न्यूरॉन्स में कैल्शियम एकाग्रता का स्तर औसत रूप से भिन्न होता है। स्तनधारी न्यूरॉन्स में इंट्रासेल्युलर कैल्शियम एकाग्रता का स्तर आराम के समय लगभग 50-100 नैनोमोलर है, और उत्साहित होने पर कहीं भी 10-100 गुना अधिक है।

अक्सर न्यूरोसाइंटिस्ट्स सुसंस्कृत कोशिकाओं के साथ एक प्रयोगशाला डिश में noninvasively अनुसंधान के लिए न्यूरॉन्स की गतिविधि की छवि बनाते हैं। हालांकि बरकरार ऊतक में लगभग एक मिलीमीटर की उथली गहराई में गतिविधि का निरीक्षण करना संभव है, किसी भी गहराई तक जाने के लिए अधिक आक्रामक तकनीकों की आवश्यकता होती है जिसमें जांच स्थापित करने के लिए सर्जरी शामिल हो सकती है।

क्या इस खोज को सफल बनाता है?

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एलन जैसनॉफ, एमआईटी प्रोफेसर और पेपर के वरिष्ठ लेखक, एक जीवित मस्तिष्क के अंदर गतिविधि के माप को सक्षम करने के लिए अपनी शोध खोज “इंट्रासेल्युलर कैल्शियम सिग्नलिंग का पहला एमआरआई-आधारित पता लगाने” का वर्णन करते हैं।

अन्य अनुसंधान सदस्यों में अली बैरंडोव और बेंजामिन बी। बारटेले (प्रमुख लेखक) शामिल हैं, साथ में कैथरीन जी। विलियमसन, एमिली एस। लुक्स और स्टीफन जे। लीपर्ड भी शामिल हैं।

टीम ने जीवित जानवरों में न्यूरॉन गतिविधि की छवि का एक मूल तरीका गहराई से और गैर-मुख्य रूप से बनाया। महत्वपूर्ण अंतर यह है कि यह गैर-चुंबकीय चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (MRI) आधारित सेंसर इंट्रासेल्युलर, न्यूरॉन्स के अंदर, सेल के बाहर काम करता है। अब न्यूरोसाइंटिस्टों के पास न केवल व्यापक रूप से न्यूरॉन्स का अध्ययन करने की विधि है, बल्कि सर्जरी की आवश्यकता के बिना जीवित जानवरों के दिमाग में भी गहराई से और न ही आक्रामक जांच।

MIT टीम ने कैसे किया?

यहाँ वह जगह है जहाँ रसायन विज्ञान, भौतिकी और चुंबकीय एमआरआई तकनीक की समझ खोज में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।

चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग शरीर में प्रोटॉन (सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए सबटॉमिक कणों) में हेरफेर करके काम करता है। मानव शरीर ज्यादातर पानी है, जो रासायनिक सूत्र H20 है (दो हाइड्रोजन परमाणु एक ऑक्सीजन परमाणु से बंधे हैं)। औसत वयस्क का शरीर लगभग 60-70 प्रतिशत पानी, और 75 प्रतिशत बच्चों में होता है। जब मानव शरीर को एक शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है, तो शरीर के प्रत्येक हाइड्रोजन परमाणुओं के केंद्र में प्रोटॉन एक ही दिशा में ऊपर पंक्तिबद्ध होते हैं।

रेडियो तरंगों के छोटे फटने को शरीर के क्षेत्रों को लक्षित करने के लिए दिया जाता है, इस प्रक्रिया में प्रोटॉन के संरेखण को बाधित करता है। रेडियो तरंगों के रुकने के बाद, प्रोटॉन जो अहसास करते हैं, वे रेडियो सिग्नल प्रेषित करते हैं, जिसमें प्रोटॉन के स्थान और ऊतक प्रकार की जानकारी होती है-विभिन्न प्रकार के ऊतकों में प्रोटॉन विशिष्ट संकेतों के साथ अलग-अलग वेगों में पुन: उत्पन्न होते हैं। प्रोटॉन छवि से संकेत देता है।

छवि की गुणवत्ता में सुधार के लिए अधिक से अधिक विपरीत की आवश्यकता होती है। एमआरआई छवियों को बढ़ाने के लिए धात्विक तत्वों के रासायनिक कंट्रास्ट एजेंटों का उपयोग एक चेलेटर के साथ किया जाता है। चीलर्स सुरक्षा उपाय के रूप में मानव शरीर में बसने से धातु को रखने के लिए बांधने की मशीन के रूप में काम करते हैं।

एमआईटी शोधकर्ताओं के समाधान की कुंजी यह है कि उन्होंने एक संकेतक बनाया जो न्यूरॉन की कोशिका की दीवारों में प्रवेश कर सकता है, और एक संकेत बना सकता है जिसे कोशिकाओं के अंदर कैल्शियम की एकाग्रता के आधार पर चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग द्वारा उठाया जा सकता है।

MIT शोधकर्ताओं ने कैल्शियम-निर्भर आणविक MRI के लिए एक सेल पारगम्य कैल्शियम सेंसर बनाया जो एक कार्बनिक यौगिक के साथ मैंगनीज (एक धातु) से बना एक विपरीत एजेंट के संयोजन का उपयोग करके और एक कैल्शियम क्लेटर जो एक धातु आयन के लिए बांड बना सकता है।

जब न्यूरॉन्स आराम कर रहे होते हैं और अंदर कैल्शियम की मात्रा अपेक्षाकृत कम हो जाती है, तो कैल्सियम केलेटर मैंगनीज के साथ रासायनिक बंधन बनाएगा।

लेकिन जब न्यूरॉन उत्तेजित होता है और कोशिका के अंदर कैल्शियम सांद्रता काफी अधिक हो जाती है, तो मैंगनीज के साथ कैल्शियम केलेटर का बंधन कैल्शियम के बजाय बॉन्ड बनाने के लिए छोड़ देगा।

सेल के अंदर मैंगनीज बढ़ने से कंट्रास्ट बढ़ेगा और इसलिए MRI इमेज की चमक बढ़ेगी। टीम के सेंसर उन परिवर्तनों को पहचानने और उनकी निगरानी करने में सक्षम हैं।

यह खोज क्यों मायने रखती है

शोधकर्ताओं ने सटीक तंत्रिका विज्ञान के अध्ययन को सक्षम करने के लिए एक उपयोगी बनाया है। कार्यात्मक एमआरआई (एफएमआरआई) के माध्यम से मस्तिष्क में रक्त के प्रवाह में परिवर्तन को ट्रैक करने के बजाय, वैज्ञानिक अब कोशिकाओं के अंदर होने वाले सिग्नलिंग को माप सकते हैं, जो परिमाण के अधिक सटीक होने के आदेश हैं।

मस्तिष्क का कार्य बड़े हिस्से में कैसे रहता है, इसका सटीक तंत्र एक ब्लैक बॉक्स है। मस्तिष्क के अंदर गहरे कामकाज को देखने के लिए एक विधि होना महत्वपूर्ण है।

तंत्रिका विज्ञान वैज्ञानिक अनुसंधान का एक महत्वपूर्ण क्षेत्र है जो कई अन्य विषयों को प्रभावित करता है। यह जीव विज्ञान की एक बहु-विषयक शाखा है जो मनोविज्ञान, जैव रसायन औषध विज्ञान, कोशिका विज्ञान, आणविक जीव विज्ञान, गणितीय मॉडलिंग, विकासात्मक जीव विज्ञान और शरीर रचना विज्ञान को एकीकृत करता है।

तंत्रिका विज्ञान में खोजों से चिकित्सा, जैव प्रौद्योगिकी, फार्मास्यूटिकल्स और यहां तक ​​कि प्रौद्योगिकी में उन्नति होती है। उदाहरण के लिए, कृत्रिम बुद्धिमत्ता (एआई) में हाल ही में उछाल काफी हद तक गहरी सीखने के कारण है, जो कि तंत्रिका तंत्र परतों और नोड्स (न्यूरॉन्स के अनुरूप) जैसे संरचनात्मक तत्वों से युक्त एक मशीन सीखने की विधि है जो कुछ हद तक जैविक मस्तिष्क से प्रेरित थे।

दुनिया के जनसांख्यिकी बदल रहे हैं, तंत्रिका विज्ञान पर अधिक जोर देते हैं – मस्तिष्क और तंत्रिका तंत्र का अध्ययन। संयुक्त राष्ट्र के अनुमान के मुताबिक, 2050 तक, 60 वर्ष और उससे अधिक आयु के लोग अफ्रीका को छोड़कर दुनिया के हर क्षेत्र में लगभग 25 प्रतिशत या उससे अधिक जनसंख्या के लिए जिम्मेदार होंगे।

दुनिया की आबादी बढ़ने की औसत आयु बढ़ने के साथ उम्र से संबंधित बीमारियाँ और विकार एक बढ़ती हुई समस्या है। पुराने वयस्कों के लिए आम मानसिक स्वास्थ्य के मुद्दों में मनोभ्रंश, अल्जाइमर, पार्किंसंस, दौरे, द्विध्रुवी विकार, सिज़ोफ्रेनिया, अवसाद, चिंता, एएलएस (लो गेहरिग रोग), और संज्ञानात्मक हानि शामिल हैं। यह इस बढ़ती समस्या को दूर करने के लिए तंत्रिका विज्ञान के अध्ययन की अधिक आवश्यकता को रेखांकित करता है।

मस्तिष्क के बारे में कई अनुत्तरित प्रश्न हैं। जब हम सोते हैं, सपने देखते हैं, या सामान्य संज्ञाहरण करते हैं, तो हमारे मस्तिष्क में क्या होता है? धारणा का तंत्रिका आधार क्या है? विभिन्न वितरित संवेदी इनपुट से मस्तिष्क एक एकल जागरूक अनुभव कैसे बनता है? चेतना का स्वभाव ही क्या है? जीवित मस्तिष्क में न्यूरॉन्स के अंदर के कामकाज को समझने से भविष्य के समाधान हो सकते हैं जो मानव स्थिति में सुधार करते हैं, और मानव जाति के सबसे बड़े रहस्यों में से कुछ का जवाब देने में मदद करते हैं।

और यह कि मस्तिष्क में न्यूरॉन्स की अंतःकोशिकीय गतिविधि में गहराई से सहकर्मी की क्षमता होने से वैज्ञानिक प्रगति हो सकती है जो मानवता के भविष्य पर गहरा प्रभाव डालती है।

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संदर्भ

बारांडोव, अली, बार्टेल, बेंजामिन बी।, विलियमसन, कैथरीन जी।, लुक्स, एमिली एस।, लिप्पर्ड, स्टीफन जे।, जैसनॉफ, एलन। “एक मैंगनीज-आधारित एमआरआई कंट्रास्ट एजेंट का उपयोग करके इंट्रासेल्युलर कैल्शियम आयनों को सेंसिंग करना।” नेचर कम्युनिकेशंस। २२ फरवरी २०१ ९

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