دانشمندان در طول زمان ها در حال پرده برداری از راز و فعالیت مغز بودند اما همچنان بسیاری از فعالیت های درون مغز مرموز هستند. به عنوان مثال، اخیراً محققان نقشه‌های پیچیده‌تری از اتصالات مغز ایجاد کرده‌اند. این نقشه‌ها که connectomes [یک کانکتوم با ردیابی نورون در یک سیستم عصبی و نقشه برداری از جایی که نورون ها از طریق سیناپس ها به هم متصل هستند ساخته می شود.] نامیده می‌شوند، جزئیات هر سلول و سیناپس را در مناطق کوچکی از مغز نشان می‌دهند، اما نقشه‌ها ثابت هستند، یعنی ما نمی‌توانیم مدارهای سلولی را که آنها ردیابی می‌کنند در عمل تماشا کنیم که یک موجود چگونه از طریق اتصالات عصبی خود با جهان و اطلاعاتی پیرامونش روبرو می‌شود.
اکثر روش‌هایی که دانشمندان برای تماشای عملکرد مغز از آن استفاده می‌کنند، وضوح کم و پوشش گسترده یا وضوح بالا و پوشش باریک را ارائه می‌دهند. یک تکنیک جدید با روشی بهینه برای کسب اطلاعات دریافتی از مغز، توسط محققان دانشگاه راکفلر توسعه یافته است. این روش میکروسکوپ دانه های نوری نامیده می شود، که می‌تواند صدها هزار نورون را در حجم های سه بعدی در طول زمان ثبت کند.
میکروسکوپ دانه‌های نوری (LBM) یک رویکرد اکتسابی بهینه مقیاس‌پذیر و مکانی-زمانی است که تنها با طول عمر فلورسانس محدود می‌شود. در این میکروسکوپ مجموعه‌ای متمایز از نظر زمانی و شامل از کانون‌های مجزا از هم، کل محدوده تصویربرداری محوری را تقریباً به‌طور همزمان ضبط می‌کنند و همچنین ضبط های حجمی با وضوح درون سلولی با سرعت بالا(9.6 هرتز)، فرصتی برای کشف محاسبات عصبی در زمینه رمزگذاری و پردازش اطلاعات در سطح قشر مغز پستانداران و شناخت مسیر های فعالیت نورون ها را فراهم می کند.
فیلم شلیک میلیون ها نورون در مغز موش و در طول روز را مشاهده می کنید.
میکروسکوپ دو فتونی
به طور معمول، عصب شناسان از تکنیکی به نام میکروسکوپ دو فوتونی برای ثبت نورون ها هنگام شلیک استفاده می کنند. میکروسکوپ دو فوتونی با نشانگرهای کلسیمی رمزگذاری شده ژنتیکی به عنوان تکنیک استاندارد برای تصویربرداری از فعالیت عصبی در عمق در بافت مغز پراکنده پدید آمده است. با این حال، مشاهدات آناتومیکی و عملکردی نشان می دهد که عملکردهای پیچیده مغز از محاسبات موازی به دست می آیند.
روش عمل این میکروسکوپ شامل ارسال پالس های لیزر به مغز و تعامل با برچسب های فلورسنت در آن جا می‌باشد، این عمل باعث روشن[انتشار نور] شدن آنها می شود. سپس دانشمند برای بررسی فعالیت نورون ها، نور را تفسیر می کند. میکروسکوپ دو فوتونی می‌تواند نوارهای کوچکی از نورون‌های در حال عمل [شلیک] را ثبت کند، اما برای گروه‌های بزرگ‌تر نورون ها ناتوان است.
میکروسکوپ دو فوتونی توانایی تصویربرداری با وضوح بالا از فعالیت عصبی در عمق بافت پراکنده مغز را دارد. با این حال، ادراک‌های مختلف آن برمبادله بین سرعت و نمونه‌برداری مکانی-زمانی که برای فعال کردن ضبط حجمی در مقیاس متوسط از فعالیت عصبی در وضوح سلولی و سرعت سازگار با حل گذرای کلسیم ضروری است، غلبه نکرده است.
این میکروسکوپ فقط حداقل مقدار اطلاعات لازم را برای شناسایی ویژگی‌های مورد نیاز (مثلاً اجسام سلولی) ثبت می‌کند تا منابع باقی‌مانده را به تصویربرداری با بیشترین حجم ممکن در مقیاس‌های زمانی سازگار با تصویربرداری کلسیم اختصاص دهد.
میکروسکوپ دانه‌های نوری LBM
تکنیک دانه‌های نوری یا light beads microscopy بر اساس میکروسکوپ دو فوتونی و با تغییری هوشمندانه ساخته شده است. به جای تکیه بر تک پالس‌های بسیار آهسته برای ثبت جمعیت وسیع نورون‌ها، هر پالس را به 30 پالس فرعی با قدرت‌های متفاوت تقسیم می‌کند. مجموعه ای از آینه ها این پالس های فرعی را در 30 عمق مختلف به مغز می فرستند و تقریباً به طور همزمان رفتار نورون ها را در هر عمق ثبت می کنند. این تکنیک به گونه‌ای سریع است که تنها محدودیت آن تعیین سرعت پاسخ برچسب های فلورسنت به پالس های نور می‌باشد.
برای آزمایش این روش، گروه یک پلتفرم میکروسکوپی شامل یک میکروسکوپ سبک وزن (که می‌توان آن را به سر موش وصل کرد تا فعالیت مغز را در حین حرکت ثبت کند) را با عملکرد دانه‌های نوری جدید تجهیز کرد. آن ها توانستند فعالیت صدها هزار نورون را که از سراسر قشر مغز به یکدیگر سیگنال می دادند، ضبط کنند.
علیپاشا وزیری در بیانیه‌ای گفت: «درک ماهیت شبکه به‌هم‌پیوسته متراکم مغز نیازمند توسعه تکنیک‌های تصویربرداری جدید است که می‌تواند فعالیت نورون‌ها را در نواحی بسیار جداشده مغز با سرعت بالا و وضوح تک سلولی ثبت کند. میکروسکوپ دانه های نوری به ما امکان می دهد تا سوالات بیولوژیکی را به روشی بررسی کنیم که قبلا امکان پذیر نبود. اما این تکنیک جایگزین میکروسکوپ استاندارد دو فوتونی نمی‌شود. بلکه آن را رویکردی مکمل می داند.»
احتمالاً در آینده ترکیب فناوری‌های تصویربرداری، از آن‌هایی که نمودارهای ارتباطی ثابت را ارائه می‌کنند تا آن‌هایی که عملکرد را در داخل بدن ضبط می‌کنند، باعث می‌شود تا تصویری بسیار غنی‌تر از نحوه انجام کارهای مغز ما ارائه دهند. محققان امیدوارند که این نوع کار بتواند روشن کند که
چگونه شبکه‌های پیچیده نورون‌های مغز، احساسات، افکار و حرکت را تولید می‌کنند؟
چه چیزی باعث عملکرد نادرست آنها می‌شود؟
و چه چیز هایی به ما کمک می کند تا سیستم‌های هوشمند خود را مهندسی کنیم؟
