211service.com
Poręczny skaner otwiera nowe granice w neuronauce
Po raz pierwszy wykorzystano maleńki skaner do noszenia do śledzenia aktywności chemicznej w mózgach nieskrępowanych zwierząt. Naukowcy twierdzą, że ujawniając obwody neurologiczne podczas wykonywania normalnych zadań, technologia może znacznie poszerzyć wiedzę na temat uczenia się, uzależnień, depresji i innych schorzeń.
Poręczny PET: Głowa szczura mieści się w okrągłym otworze tego urządzenia, otoczonym zminiaturyzowanymi detektorami i elektroniką.
Urządzenie zostało zaprojektowane do użytku ze szczurami — głównym modelem zwierzęcym używanym przez neuronaukowców behawioralnych. Ale naukowcy, którzy opracowali urządzenie z Brookhaven National Laboratory, twierdzą, że łatwo byłoby zaprojektować podobne urządzenie dla ludzi.
Pozytonowa tomografia emisyjna (PET) jest już szeroko stosowana w badaniach neurologicznych oraz w leczeniu klinicznym. Pozwala naukowcom śledzić lokalizację radioaktywnych neuroprzekaźników (substancji chemicznych przenoszących sygnały między neuronami) lub leków w mózgu. Obrazy przedstawiające sposób, w jaki neuroprzekaźniki i leki poruszają się w mózgu, mogą ujawnić procesy leżące u podstaw normalnego zachowania, takie jak uczenie się, a także patologie, w tym uzależnienia. PET został wykorzystany do mapowania miejsc wiązania leków w mózgach osób uzależnionych i zdrowych oraz do badania, jak te miejsca zmieniają się w czasie i podczas terapii.
Konwencjonalny skaner PET jest tak duży, że badania te muszą być wykonywane z obiektem leżącym wewnątrz dużej tuby. Duże fotopowielacze wzmacniają sygnały promieniowania gamma emitowanego przez oznakowane substancje chemiczne w mózgu. Sygnały przechodzą następnie przez półkę z elektroniką wielkości biurka, która je przetwarza i mapuje je do określonego obszaru mózgu. Aby uzyskać dobre odczyty podczas badań na zwierzętach, badani są zazwyczaj znieczulani lub unieruchamiani. To, co jest mierzone, nie jest normalnym zachowaniem na jawie.
Mamy bardzo ograniczone dane na temat tego, co mózgi robią w prawdziwym świecie, mówi Paul Glimcher , profesor neurologii, ekonomii i psychologii na Uniwersytecie Nowojorskim. Glimcher nie był zaangażowany w pracę.
Nowy przenośny skaner został zaprojektowany tak, aby dostarczać tych samych informacji o chemii mózgu, podczas gdy zwierzę zachowuje się naturalnie. Jest na tyle mały i lekki, że szczur może go nosić na głowie. [Szczur] może się swobodnie poruszać, wchodzić w interakcje z innymi zwierzętami, a jednocześnie możemy tworzyć trójwymiarową mapę, na przykład receptorów dopaminy w mózgu, mówi David Schlyer , starszy naukowiec w Brookhaven, który kierował pracami.
Grupa Schlyera przez lata pracowała nad stworzeniem miniaturowego skanera PET, który mógłby być noszony przez poruszający się obiekt. Urządzenie składa się z metalowego pierścienia zwisającego z konstrukcji wsporczej, która pomaga utrzymać jego ciężar i umożliwia poruszanie się szczura. Głowa szczura wchodzi do pierścienia, w którym znajdują się zarówno detektory, jak i elektronika.
Kluczem do miniaturyzacji urządzenia, mówi Schlyer, było zintegrowanie całej elektroniki każdego detektora w pierścieniu na jednym, specjalistycznym chipie. Fotodioda lawinowa zastępuje również duże fotopowielacze z konwencjonalnego PET, wzmacniając sygnały emitowane przez oznakowane substancje chemiczne w mózgu. Szczury potrzebują około godziny, aby się zaaklimatyzować, po czym zaczynają zachowywać się normalnie, mówi Schlyer. Urządzenie Brookhaven zostało opisane w tym tygodniu w czasopiśmie Metody natury .
Grupa z Brookhaven po raz pierwszy użyła skanera do mapowania receptorów dopaminy w całych mózgach poruszających się szczurów. Inne grupy, w tym Glimcher, używały wcześniej sond inwazyjnych do badania poziomu dopaminy w częściach mózgu o wielkości milimetra sześciennego u nieskrępowanych zwierząt, ale nie były w stanie przyjrzeć się całemu mózgowi.
Glimcher opisuje jeden z kilku eksperymentów, które można przeprowadzić z urządzeniem przenośnym. Naukowcy wiedzą, że narkomani, którzy pomyślnie ukończyli rehabilitację, są narażeni na duże ryzyko nawrotu, jeśli odwiedzą miejsca, które kojarzą im się z narkotykiem, prawdopodobnie dlatego, że ich mózg został chemicznie przebudowany, aby reagować na te skojarzenia. Glimcher wyobraża sobie badania na szczurach, które odwzorowują chemię mózgu, kiedy zwierzęta mogą decydować, czy brać lek, czy nie, i kiedy wędrują do miejsca, w którym nauczyły się kojarzyć z lekiem.
Tak naprawdę nie rozumiemy tak dobrze, jak obwody w [różnych częściach mózgu] oddziałują w uzależnieniu, mówi Glimcher. Aby w ogóle dotrzeć do miejsca, w którym mogę przedstawić hipotezę kliniczną, musimy uzyskać bardziej podstawowe informacje. To przełom, który może to umożliwić.
PET nie jest tak szeroko stosowany w badaniach z udziałem ludzi jak inne metody neuroobrazowania ze względu na niewielką, ale znaczną ekspozycję na promieniowanie, które jest konieczne. Mimo to naukowcy z Brookhaven twierdzą, że możliwe byłoby wyprodukowanie nadającego się do noszenia skanera PET, który mieściłby się w czymś przypominającym kask piłkarski. Joseph Huston, przewodniczący Centrum Neuronauki Behawioralnej na Uniwersytecie w Düsseldorfie, mówi, że grupa Brookhaven wyświadczyła niesamowitą przysługę społeczności neuronaukowej, opracowując urządzenie. Szczur jest najważniejszym modelem mózgu — wszystko, co wiemy o nauce, karmieniu, strachu, seksie, opiera się na pracy u szczura.
Schlyer mówi, że jego grupa rozmawiała z kilkoma firmami na temat licencjonowania komercyjnej wersji urządzenia. Ale na razie planują głównie dalsze badania behawioralne w swoim laboratorium. Mapowanie dopaminy u budzących się zwierząt może zapewnić wgląd w szeroki zakres normalnych i patologicznych stanów, takich jak problemy ruchowe związane z chorobą Parkinsona. Ale dopamina to tylko jedna z wielu substancji chemicznych w mózgu, które grupa może zmapować. Schlyer mówi, że będą również badać zachowania seksualne szczurów.
Grupa pracuje również nad innym instrumentem, który łączy PET z obrazowaniem metodą rezonansu magnetycznego, aby dostarczyć bogatszych informacji o strukturze i funkcji tkanki. W przyszłym miesiącu rozpoczną próby kliniczne tego urządzenia u pacjentek z rakiem piersi.