Επιστήμονες του University of California στο Davis παρουσίασαν μια τεχνολογία που υπόσχεται να αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο μελετάμε τον εγκέφαλο. Πρόκειται για το DeepInMiniscope, ένα μικροσκοπικό σύστημα απεικόνισης ικανό να καταγράφει σε τρεις διαστάσεις τη δραστηριότητα των νευρώνων σε πραγματικό χρόνο. Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές μεθόδους, που συχνά είναι ογκώδεις και επεμβατικές, η νέα αυτή προσέγγιση βασίζεται σε μια τεχνική «χωρίς φακούς», προσφέροντας εικόνες υψηλής ευκρίνειας χωρίς τα περιοριστικά στοιχεία της κλασικής οπτικής.
Στο επίκεντρο του συστήματος βρίσκεται μια λεπτή μάσκα καλυμμένη με περισσότερους από εκατό μικροφακούς. Ο καθένας συλλέγει μια διαφορετική οπτική γωνία του ίδιου αντικειμένου. Στη συνέχεια, μέσω ενός αλγορίθμου ανασύνθεσης που αξιοποιεί νευρωνικά δίκτυα, όλες αυτές οι πληροφορίες συνδυάζονται για να σχηματίσουν μια τρισδιάστατη εικόνα. Έτσι, η διάχυση του φωτός στους ιστούς, που παραδοσιακά αποτελούσε εμπόδιο, παύει να περιορίζει τις δυνατότητες παρατήρησης. Το σύστημα «βλέπει μέσα» στο βιολογικό υλικό, αποκαλύπτοντας λεπτομέρειες που μέχρι πρότινος απαιτούσαν πιο επεμβατικές τεχνικές.
Επικεφαλής του εγχειρήματος είναι ο Weijian Yang, καθηγητής ηλεκτρολογίας και μηχανικής υπολογιστών. Μαζί με την ερευνητική του ομάδα, ανέπτυξε έναν αλγόριθμο που συνδυάζει τις αρχές της επαναληπτικής βελτιστοποίησης με τα συμβατικά νευρωνικά δίκτυα. Το αποτέλεσμα είναι ένα λεγόμενο «unrolled network», δηλαδή ένα σύστημα πολλών σταδίων, όπου κάθε στάδιο λειτουργεί σαν μικρό μοντέλο που προσομοιώνει ένα βήμα βελτιστοποίησης. Με τον τρόπο αυτό, το DeepInMiniscope επεξεργάζεται τα δεδομένα που συλλέγουν οι μικροφακοί σε πραγματικό χρόνο, παράγοντας καθαρές και σταθερές εικόνες χωρίς να απαιτεί τεράστιο όγκο δεδομένων για εκπαίδευση.
Οι πρώτες δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε πειραματόζωα. Το σύστημα κατέγραψε με επιτυχία τη δραστηριότητα του εγκεφάλου ποντικών ενώ αυτά κινούνταν ελεύθερα, επιτρέποντας στους ερευνητές να παρατηρήσουν απευθείας τη σύνδεση ανάμεσα στη νευρωνική δραστηριότητα και τη συμπεριφορά. Ο Feng Tian, πρώτος συγγραφέας της μελέτης, τόνισε ότι το DeepInMiniscope χρειάζεται ελάχιστα δεδομένα για την αρχική του εκπαίδευση, διατηρώντας παράλληλα ακρίβεια και αποτελεσματικότητα ακόμη και όταν χειρίζεται μεγαλύτερα σύνολα πληροφοριών. Αυτό το χαρακτηριστικό του δίνει τη δυνατότητα να προσαρμόζεται εύκολα σε πιο περίπλοκα ερευνητικά σενάρια.
Η επόμενη πρόκληση για τους επιστήμονες είναι να προχωρήσουν σε ακόμη μεγαλύτερη σμίκρυνση της συσκευής. Στόχος είναι να μειωθεί η επιφάνεια της στα δύο τετραγωνικά εκατοστά, δηλαδή σε μέγεθος που αντιστοιχεί περίπου σε ένα «καπελάκι» ποντικού. Παράλληλα, σχεδιάζεται η εξέλιξή του σε ασύρματο σύστημα. Αν αυτό επιτευχθεί, θα καταστεί δυνατή η παρακολούθηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας σε ζώα που κινούνται ελεύθερα, κάτι που μέχρι τώρα θεωρούνταν σχεδόν αδύνατο χωρίς καλώδια και βαρύ εξοπλισμό.
Η σημασία αυτής της τεχνολογίας για τις νευροεπιστήμες είναι μεγάλη. Μέχρι σήμερα, η μελέτη της λειτουργίας του εγκεφάλου σε φυσικό πλαίσιο ήταν περιορισμένη, καθώς τα περισσότερα εργαλεία απαιτούσαν ακινησία ή παρείχαν μόνο δισδιάστατες εικόνες. Το DeepInMiniscope προσφέρει ένα νέο παράθυρο που επιτρέπει όχι μόνο την παρατήρηση των νευρώνων σε δράση, αλλά και την κατανόηση του πώς αλληλεπιδρούν με τη συμπεριφορά και το περιβάλλον.
Επιπλέον, η δυνατότητα συλλογής τρισδιάστατων δεδομένων με ελάχιστα δείγματα εκπαίδευσης κάνει την τεχνολογία ιδιαίτερα προσαρμόσιμη. Από τις βασικές έρευνες για τη λειτουργία του εγκεφάλου έως την ανάπτυξη θεραπειών για νευρολογικές παθήσεις, οι εφαρμογές που ανοίγονται είναι τεράστιες. Η μελλοντική ασύρματη εκδοχή θα δώσει ακόμη περισσότερη ελευθερία, επιτρέποντας σε ερευνητές να μελετούν ζωντανούς οργανισμούς σε πραγματικές συνθήκες.
[via]
