Vnitrní práce mozkových bunek odhalených pomocí robotu

Vstup do vnitrních prací a neuron v zivém mozku je tak nárocný, slozitý a komplikovaný úkol, ze se povazuje za umeleckou formu, kterou lze dosáhnout jen v malém poctu laboratorí po celém svete.
Neuronova vnitrní práce v zivém mozku poskytují obrovské mnozství uzitecných informací. Napríklad nabízí informace o mozkových vzorech elektrické aktivity, jeho tvaru a dokonce i profilu, v nemz jsou geny zapnuty v urcitém okamziku.
Podle 6. kvetna vydání Prírodní metody, výzkumníci z MIT a Georgia Tech vyvinuli metodu automatizace procesu vyhledávání a zaznamenávání informací z neuronu v zivém mozku.
Ve spolupráci s laboratorí Ed Boyden, docent biologického inzenýrství a mozkových a kognitivních ved v MIT a Craig Forest, námestkem profesora strojního inzenýrství na Georgia Tech, výzkumníci prokázali, ze robotická ramena vedená pocítacovým algoritmem detekujícím bunky mela vyssí presnost a míru rychlosti pri identifikaci a záznamu z neuronu zivého mysího mozku nez u cloveka experimentátora.
Pouzívání tohoto nového automatizovaného procesu znamená, ze lze získat dlouhotrvající informace o aktivitách zivých bunek, aniz by bylo nutné poskytovat výzkumným pracovníkum mesícní trénink. Tato nová technika umoznuje vedcum klasifikovat tisíce ruzných typu mozkových bunek a mapovat, jak jsou propojeny, a také zjistit, jak se nemocné bunky lisí od normálních bunek.
Forest ríká:

"Nás tým byl od pocátku interdisciplinární a to nám umoznilo prinést zásady presného strojového designu, aby se na nem podílel na studiu zivého mozku."

Studentka Forest, Suhasa Kodandaramaiah, je predním autorem studie a minulé dva roky strávila jako hostující student na MIT.
Podle Boydena, clena MIT Media Lab a McGovern Institute for Brain Research, by tato metoda mohla být obzvláste uzitecná pri studiu poruch mozku, jako je schizofrenie, Parkinsonova choroba, autismus a epilepsie.
Pokracuje:

"Ve vsech techto prípadech molekulární popis bunky, která je integrována s jeho elektrickými a obvodovými vlastnostmi, zustala nepolapitelná. Kdybychom mohli skutecne popsat, jak choroby mení specifické bunky v zivém mozku, mohlo by to umoznit lepsí lék cílu, které mají být nalezeny. "

Boyden, Forest a Kodandaramaiah se rozhodli automatizovat 30letou techniku, známou jako upínání patchu celých bunek, coz vyzaduje úroven dovedností, která obvykle trvá nekolik mesícu po absolvování postdoktorského studia. Tato technika zahrnuje privedení malé duté sklenené pipety do kontaktu s bunecnou membránou neuronu a otevrení malého póru v membráne k zaznamenání elektrické aktivity v bunce.
Po ctyrech mesících ucení manuální techniky patch-clamp, Kodandaramaiah ríká:

"Kdyz jsem v tom dostal dobrý pocit, cítil jsem, ze i kdyz je to umelecká forma, muze se omezit na radu stereotypních úkolu a rozhodnutí, které by mohl robot vykonat."

Kodandaramaás a jeho tým postavili robotickou ruku, která snizuje sklenenou pipetu do mozku anestetizované mysi s presností mikrometru. Kdyz se rameno pohybuje, pipeta sleduje elektrickou impedanci, tj. Merítko toho, jak obtízné je, aby elektrina vytekla z pipety. Pokud nejsou kolem sebe zádné bunky, tok elektriny a impedance jsou nízké, nicméne kdyz hrot zasáhne bunku, elektrina nemuze volne proudit a impedance se zvedne. Pipeta trvá dva mikrometrické kroky, merí impedanci 10 krát za sekundu a jakmile detekuje bunku, je schopná okamzite zastavit, aby se neprehýbala membránou.

Boyden uvádí:

"To je neco, co robot muze udelat, ze clovek nemuze."

Jakmile pipeta detekuje bunku, pouzije odsávání, aby vytvorila tesnení membránou bunky, takze elektroda muze prolomit membránu, aby zaznamenávala vnitrní elektrickou aktivitu bunky.
Rychlost robotického systému pri detekci bunek je 90%, s 40% úspesností pri vytvárení spojení s detekovanými bunkami. Nová metoda muze být také pouzita pro urcení tvaru bunky vstrikováním barviva. Vedci v soucasné dobe zkoumají extrahování obsahu bunky, aby si precetli svuj genetický profil, a také aby zvetsili pocet elektrod, které umoznují nahrávat z více neuronu najednou. Predpokládají, ze by jim to mohlo dovolit zjistit, jak jsou ruzné cásti mozku spojeny.
Jsou také v procesu spolupráce, aby zacali kategorizovat tisíce typu neuronu v mozku. Nejcastejsím prostredkem klasifikace tohoto "seznamu dílu" pro mozku je identifikace neuronu podle jejich tvaru, nicméne nová metoda umoznuje neurony dále klasifikovat podle jejich elektrické aktivity a genetického profilu.
Forest vysvetluje:

"Pokud opravdu chcete vedet, co je neuron, muzete se podívat na tvar a muzete se podívat na to, jak to zapálí. Pak, pokud vytáhnete genetické informace, muzete skutecne vedet, co se deje. "To je celý obraz."

Boyden se domnívá, ze je to jen zacátek pouzívání robotiky v neurovedách ke studiu zivých zvírat, vzhledem k tomu, ze podobný robot by mohl být také pouzíván v budoucnu k infuzi léku na cílené body v mozku nebo k dodání vektoru genové terapie. Doufá, ze jejich vynález bude inspirovat neurovedce k vývoji dalsích forem robotových automatizací. Napríklad v optogenetice, pomocí svetla narusovat cílené neurální obvody a urcit, jakou roli hrají neurony v mozkových funkcích.
Ríká, ze n euroscience je jednou z mála oblastí biologie, kde roboti mají jeste velký vliv, Boyden uzavírá:

"Projekt genomu byl proveden lidmi a obrovskou sadu robotu, které by provádely vsechny sekvence genomu. V rozebíratelné evoluci nebo v syntetické biologii roboti delají spoustu molekulární biologie.

Napsal Petra Rattue