AirScope: Το ασύρματο μικροσκόπιο ενός γραμμαρίου καταγράφει 8.500 νευρώνες σε πραγματικό χρόνο

Σύνοψη

• Το AirScope αποτελεί ένα επαναστατικό ασύρματο μικροσκόπιο εγκεφάλου, σχεδιασμένο από το Πανεπιστήμιο Tsinghua και την ιατρική σχολή PLA.
• Ζυγίζει μόλις ένα γραμμάριο, επιτρέποντας την απρόσκοπτη και ελεύθερη κίνηση των πειραματόζωων στο περιβάλλον τους χωρίς περιοριστικά καλώδια.
• Ενσωματώνει αισθητήρα υψηλής ανάλυσης 2 Megapixel που παρακολουθεί ταυτόχρονα περισσότερους από 8.500 νευρώνες.
• Αξιοποιεί την τεχνική απεικόνισης ασβεστίου για την έμμεση παρακολούθηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας με συνεχή ρυθμό μετάδοσης 12,5 Hz.
• Κατά τη διάρκεια των δοκιμών, οι επιστήμονες κατάφεραν να προβλέψουν την κοινωνική κυριαρχία και τις εκβάσεις αλληλεπιδράσεων αναλύοντας άμεσα τα νευρωνικά μοτίβα.

Η επιστημονική κοινότητα εξαρτιόταν ανέκαθεν από ογκώδη εργαστηριακά εργαλεία τα οποία, ενώ παρέχουν κρίσιμα βιολογικά δεδομένα, περιορίζουν δραματικά την ελευθερία κινήσεων των πειραματόζωων και αλλοιώνουν ενίοτε την αυθεντική συμπεριφορά τους στο φυσικό τους περιβάλλον. Οι παραδοσιακές μέθοδοι νευροαπεικόνισης απαιτούν συχνά πολύπλοκες ενσύρματες υποδομές που συνδέουν τον εγκέφαλο του υποκειμένου με τον κεντρικό σταθμό ελέγχου, καθιστώντας σχεδόν αδύνατη την καταγραφή της νευρωνικής δραστηριότητας κατά τη διάρκεια πολύπλοκων κοινωνικών αλληλεπιδράσεων. 

Η έρευνα προσφέρει μια ριζοσπαστική λύση στο μακροχρόνιο αυτό τεχνικό πρόβλημα της νευροεπιστήμης μέσω της δημιουργίας μιας συσκευής που συνδυάζει την απόλυτη ελαχιστοποίηση των φυσικών διαστάσεων με την ασύρματη μετάδοση δεδομένων υψηλής πυκνότητας.

Το Πανεπιστήμιο Tsinghua σε άμεση συνεργασία με την ιατρική σχολή PLA στην Κίνα σχεδίασαν και παρουσίασαν το AirScope, ένα τεχνολογικό επίτευγμα που επαναπροσδιορίζει πλήρως τη μικροσκοπία σε ζωντανούς, εν κινήσει οργανισμούς. Μέχρι πρότινος, η επιστημονική κατανόηση της εγκεφαλικής λειτουργίας προερχόταν σε μεγάλο βαθμό από δεδομένα που συγκεντρώνονταν υπό αυστηρά ελεγχόμενες και χωρικά περιοριστικές συνθήκες. Οι εξωτερικές συνδέσεις των συμβατικών μικροσκοπίων αναγκάζουν τα υποκείμενα της έρευνας να κινούνται με αφύσικο τρόπο, εισάγοντας ασταθείς μεταβλητές που ενδέχεται να επηρεάζουν τα τελικά αποτελέσματα των μετρήσεων. 

Οι επιστήμονες αδυνατούσαν συνεπώς να παρατηρήσουν τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος διαχειρίζεται τα ερεθίσματα την ώρα που ένα ζώο αντιμετωπίζει απρόβλεπτες καταστάσεις, αλληλεπιδρά με μέλη του ίδιου είδους ή λαμβάνει κρίσιμες αποφάσεις επιβίωσης. Το νεότευκτο σύστημα καταργεί άμεσα αυτούς τους φυσικούς περιορισμούς προσφέροντας πλήρη ασύρματη αυτονομία, διατηρώντας ταυτόχρονα την αυστηρή υψηλή ανάλυση που απαιτείται για την οπτική παρατήρηση σε κυτταρικό επίπεδο.

Τι είναι το AirScope και πώς λειτουργεί το μικροσκόπιο ενός γραμμαρίου;

Το AirScope είναι ένα ασύρματο, μικροσκοπικό σύστημα απεικόνισης βάρους μόλις ενός γραμμαρίου που χρησιμοποιεί προηγμένο αισθητήρα δύο megapixel και τεχνικές απεικόνισης ασβεστίου για να παρακολουθεί ταυτόχρονα περισσότερους από 8.500 νευρώνες, επιτρέποντας την ελεύθερη κίνηση του πειραματόζωου με συνεχή ρυθμό ασύρματης μετάδοσης 12,5 Hz.

Η εγκατάσταση της συσκευής πραγματοποιείται απευθείας στο κεφάλι του πειραματόζωου χωρίς να δημιουργείται επιπλέον βαρυτικό φορτίο που θα μπορούσε να διαταράξει τη φυσική του ισορροπία ή την ταχύτητα της μετακίνησης του κατά τη διάρκεια των πειραμάτων. Το εντυπωσιακό στοιχείο της κατασκευής δεν περιορίζεται αποκλειστικά στο ελάχιστο βάρος αλλά επεκτείνεται κυρίως στην τεράστια χωρητικότητα συλλογής αναλυτικών πληροφοριών. Οπτικά συστήματα αντίστοιχου μεγέθους στο παρελθόν δυσκολεύονταν συστηματικά να ξεπεράσουν την ανάλυση μερικών εκατοντάδων νευρώνων, ενώ ο νέος κινεζικός αισθητήρας υπερβαίνει αυτό το όριο κατά εικοσιπέντε φορές σε άμεση σύγκριση με τις κορυφαίες διαθέσιμες συσκευές αναφοράς της αγοράς. 

Το μικροσκόπιο ανιχνεύει την εγκεφαλική δραστηριότητα καταγράφοντας τις συνεχείς διακυμάνσεις του φθορισμού που συνδέονται με τη μετάδοση των κυτταρικών σημάτων. Καθώς οι νευρώνες ενεργοποιούνται δυναμικά, τα ιόντα ασβεστίου εισέρχονται αμέσως στα κύτταρα και προκαλούν ανεπαίσθητη εκπομπή φωτός την οποία συλλαμβάνει ακαριαία η ενσωματωμένη κάμερα της συσκευής.

Ποια τεχνικά χαρακτηριστικά ξεχωρίζουν το AirScope από τον ανταγωνισμό;

Το σύστημα υπερέχει στην κατηγορία του χάρη στο εξαιρετικά ευρύ οπτικό πεδίο των έξι χιλιοστών, προσφέροντας απόδοση που κανένα προηγούμενο μικροσκοπικό εργαλείο δεν είχε επιτύχει. Ο αισθητήρας συλλέγει τις διακυμάνσεις του φθορισμού, ενώ το ηλεκτρονικό υποσύστημα αναλαμβάνει την άμεση συμπίεση των δεδομένων και την ασύρματη μετάδοση τους, καταργώντας την ανάγκη για περιφερειακές καλωδιώσεις.

• Αισθητήρας υψηλής ευαισθησίας: Ανάλυση 2 Megapixel ειδικά προσαρμοσμένη για βιολογική απεικόνιση σε συνθήκες εξαιρετικά χαμηλού φωτισμού.
• Μαζική καταγραφή: Δυνατότητα ταυτόχρονης παρατήρησης πάνω από 8.500 νευρώνων σε πραγματικό χρόνο για ευρύτερη ανάλυση δικτύων.
• Οπτικό πεδίο: Διάμετρος έξι χιλιοστών που καλύπτει τεράστιο μέρος του φλοιού ενός μικρού θηλαστικού κατά τη διάρκεια της σάρωσης.
• Πρωτόκολλο μετάδοσης: Ασύρματη αποστολή εικονοστοιχείων με ρυθμό ανανέωσης 12,5 Hz κατόπιν αποδοτικής εσωτερικής συμπίεσης στο hardware.
• Εργονομία και βάρος: Συνολικό βάρος συστήματος ελεγχόμενο αυστηρά στο ένα γραμμάριο ώστε να μην αλλοιώνεται ποτέ η κινητική συμπεριφορά του ζώου.

Το πολύπλοκο ηλεκτρονικό σύστημα που κρύβεται πίσω από τον κεντρικό φακό της συσκευής αναλαμβάνει το εξαιρετικά βαρύ έργο της διαχείρισης ενός τεράστιου όγκου εικόνων μέσα σε ελάχιστα κλάσματα του δευτερολέπτου. Οι σχεδιαστές του κυκλώματος κατάφεραν να ενσωματώσουν επιτυχώς έναν αλγόριθμο υλικού που συμπιέζει το οπτικό βίντεο και εξοικονομεί πολύτιμο εύρος ζώνης κατά την ασύρματη εκπομπή του σήματος προς τον υπολογιστή, αποτρέποντας παράλληλα την υπερθέρμανση των εξαρτημάτων η οποία θα μπορούσε δυνητικά να βλάψει τους ευαίσθητους βιολογικούς ιστούς του υποκειμένου. Κάθε εικόνα που λαμβάνει ο κεντρικός δέκτης αποσυμπιέζεται απευθείας στους εργαστηριακούς υπολογιστές, προσφέροντας στους ερευνητές μια εντυπωσιακά κρυστάλλινη άποψη της λειτουργίας των πολύπλοκων νευρωνικών δικτύων.

Πώς η ασύρματη παρατήρηση αποκαλύπτει νέα δεδομένα για τον εγκέφαλο;

Η ασύρματη αυτονομία επιτρέπει στους επιστήμονες να παρακολουθούν τον εγκέφαλο σε απολύτως ρεαλιστικές συνθήκες, αποκαλύπτοντας περίπλοκα νευρωνικά μοτίβα που συνδέονται άμεσα με την κοινωνική κυριαρχία. Οι ερευνητές προβλέπουν πλέον τα αποτελέσματα των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ζώων, αναλύοντας παράλληλα τη μνήμη ανταμοιβής και τη συνεχή επικοινωνία νωτιαίου μυελού και φλοιού.

Η ερευνητική ομάδα αξιοποίησε τις πρωτοποριακές δυνατότητες του AirScope μελετώντας πολλαπλές ομάδες ποντικιών τα οποία αφέθηκαν απολύτως ελεύθερα να εξερευνήσουν τον περιβάλλοντα χώρο και να έρθουν σε άμεση επαφή με άλλα μέλη της αποικίας. Κατά τη διάρκεια αυτών των αυθόρμητων αλληλεπιδράσεων, οι επιστήμονες εντόπισαν συγκεκριμένα επαναλαμβανόμενα πρότυπα εγκεφαλικής δραστηριότητας τα οποία λειτουργούν ουσιαστικά ως βιολογικοί δείκτες για την κοινωνική ιεραρχία που αναπτύσσεται στην εκάστοτε ομάδα. Διαβάζοντας αναλυτικά τις διακυμάνσεις του φθορισμού στον φλοιό, οι ερευνητές μπορούσαν πλέον να προβλέψουν με εντυπωσιακή ακρίβεια την έκβαση μιας ενδεχόμενης αναμέτρησης μεταξύ δύο ζώων πριν καν η συμπεριφορική ενέργεια ολοκληρωθεί στον φυσικό χώρο.

Πέρα από τη μελέτη της κοινωνικής συμπεριφοράς, τα εργαστηριακά πειράματα εστίασαν σε πολύ πιο αρχέγονα ένστικτα των θηλαστικών, όπως η διαχείριση του φόβου και η εσωτερική διαδικασία της ανταμοιβής. Αναλύοντας τον ακριβή τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος επικοινωνεί αμφίδρομα με τον νωτιαίο μυελό όταν το υποκείμενο αντιλαμβάνεται μια άμεση οπτική απειλή, οι ερευνητές χαρτογράφησαν φυσιολογικές διαδρομές που μέχρι σήμερα βασίζονταν αποκλειστικά και μόνο σε θεωρητικά υπολογιστικά μοντέλα. Η σταθερή διατήρηση αναμνήσεων που σχετίζονται στενά με θετικά ερεθίσματα καταγράφηκε επίσης με πρωτοφανή τεχνολογική σαφήνεια, αναδεικνύοντας την απίστευτη πολυπλοκότητα των νευρωνικών δικτύων κατά τη θεμελιώδη διαδικασία της μάθησης μέσω επιβράβευσης.

Ο τεράστιος όγκος πληροφοριών που συλλέγεται μέσω της τεχνικής απεικόνισης ασβεστίου δημιουργεί παράλληλα μια επιτακτική ανάγκη για προηγμένα υπολογιστικά συστήματα ανάλυσης δεδομένων στον τομέα της ιατρικής. Η ταυτόχρονη παρακολούθηση 8.500 νευρώνων παράγει ατελείωτες σειρές δεδομένων που υπερβαίνουν κατά πολύ τις ανθρώπινες δυνατότητες της μη αυτόματης αποκωδικοποίησης μέσα σε λογικά χρονικά πλαίσια. Εδώ εισέρχεται δυναμικά ο ανερχόμενος τομέας της τεχνητής νοημοσύνης και της στοχευμένης μηχανικής μάθησης, αλγόριθμοι της οποίας καλούνται να επεξεργαστούν τα σήματα του AirScope για να εντοπίσουν ανεπαίσθητες αλλά κρίσιμες συσχετίσεις μεταξύ νευρωνικών μοτίβων και απρόβλεπτων σωματικών αντιδράσεων.