211service.com
Draagbare scanner opent nieuwe grens in neurowetenschap
Voor het eerst is een kleine draagbare scanner gebruikt om de chemische activiteit in de hersenen van ongeremde dieren te volgen. Door neurologische circuits te onthullen terwijl de proefpersonen normale taken uitvoeren, zeggen onderzoekers, zou de technologie het begrip van leren, verslaving, depressie en andere aandoeningen aanzienlijk kunnen verbreden.
Draagbaar HUISDIER: In de ronde opening van dit apparaat past een rattenkop, die is omgeven door miniatuurdetectoren en elektronica.
Het apparaat is ontworpen om te worden gebruikt met ratten - het belangrijkste diermodel dat wordt gebruikt door gedragsneurowetenschappers. Maar de onderzoekers die het apparaat hebben ontwikkeld, bij Brookhaven National Laboratory, zeggen dat het eenvoudig zou zijn om een soortgelijk apparaat voor mensen te ontwikkelen.
Positronemissietomografie, of PET, wordt al veel gebruikt in neurowetenschappelijk onderzoek en in klinische behandelingen. Het stelt onderzoekers in staat om de locatie van radioactief gelabelde neurotransmitters (de chemicaliën die signalen tussen neuronen dragen) of medicijnen in de hersenen te volgen. Beelden van de manier waarop neurotransmitters en drugs door de hersenen bewegen, kunnen de processen onthullen die ten grondslag liggen aan normaal gedrag, zoals leren, evenals pathologieën, waaronder verslaving. PET is gebruikt om medicijnbindende plaatsen in de hersenen van verslaafden en gezonde mensen in kaart te brengen en om te bestuderen hoe die plaatsen in de loop van de tijd en met therapie veranderen.
Een conventionele PET-scanner is zo groot dat deze onderzoeken moeten worden uitgevoerd terwijl de proefpersoon in een grote buis ligt. Grote fotomultiplicatorbuizen versterken signalen van gammastralen die worden uitgezonden door gelabelde chemicaliën in de hersenen. De signalen gaan vervolgens door een rek met elektronica ter grootte van een bureau dat ze verwerkt en in kaart brengt naar een bepaald deel van de hersenen. Om goede metingen te krijgen tijdens dierstudies, worden de proefpersonen meestal verdoofd of vastgehouden. Wat wordt gemeten, is geen normaal waakgedrag.
We hebben zeer beperkte gegevens over wat hersenen in de echte wereld doen, zegt Paul Glimcher , hoogleraar neurowetenschappen, economie en psychologie aan de New York University. Glimcher was niet betrokken bij het werk.
De nieuwe draagbare scanner is ontworpen om dezelfde informatie over de hersenchemie te geven terwijl een dier zich natuurlijk gedraagt. Het is klein en licht genoeg dat een rat het op zijn kop kan dragen. [De rat] kan vrij bewegen, interactie hebben met andere dieren, en tegelijkertijd kunnen we een 3D-kaart maken van bijvoorbeeld dopaminereceptoren in de hersenen, zegt David Schlyer , een senior wetenschapper bij Brookhaven die het werk leidde.
De groep van Schlyer werkte jarenlang aan de ontwikkeling van een miniatuur PET-scanner die door een bewegend onderwerp zou kunnen worden gedragen. Het apparaat bestaat uit een metalen ring die aan een steunstructuur hangt die het gewicht helpt ondersteunen en de rat in staat stelt te bewegen. De kop van de rat gaat in de ring, die zowel detectoren als elektronica bevat.
De sleutel tot het miniaturiseren van het apparaat, zegt Schlyer, was het integreren van alle elektronica voor elke detector in de ring op een enkele, gespecialiseerde chip. Een lawinefotodiode vervangt ook de grote fotomultiplicatorbuizen van conventioneel PET, waardoor de signalen die worden uitgezonden door de gelabelde chemicaliën in de hersenen worden versterkt. De ratten hebben ongeveer een uur nodig om te acclimatiseren en beginnen zich dan normaal te gedragen, zegt Schlyer. Het Brookhaven-apparaat wordt deze week beschreven in het tijdschrift Natuur Methoden .
De Brookhaven-groep gebruikte de scanner voor het eerst om de dopaminereceptoren in de hele hersenen van bewegende ratten in kaart te brengen. Andere groepen, waaronder die van Glimcher, hebben eerder invasieve sondes gebruikt om dopamine-niveaus in delen van de hersenen van kubieke millimeters in ongebreidelde dieren te bestuderen, maar waren niet in staat om naar de hele hersenen te kijken.
Glimcher beschrijft een van de experimenten die met het draagbare apparaat kunnen worden gedaan. Onderzoekers weten dat verslaafden die met succes de revalidatie hebben voltooid, een groot risico lopen op een terugval als ze de plaatsen bezoeken die ze met het medicijn associëren, waarschijnlijk omdat hun hersenen chemisch opnieuw zijn bedraad om op deze associaties te reageren. Glimcher stelt zich studies voor bij ratten die de hersenchemie in kaart brengen wanneer de dieren mogen beslissen of ze een medicijn willen nemen, en wanneer ze naar een locatie gaan die ze hebben leren associëren met het medicijn.
We begrijpen niet zo goed hoe circuits in [verschillende delen van de hersenen] op elkaar inwerken bij verslaving, zegt Glimcher. Om zelfs maar ergens te komen waar ik je een klinische hypothese kan geven, hebben we meer basisinformatie nodig. Dit is de doorbraak die dat mogelijk zou kunnen maken.
PET wordt niet zo breed gebruikt in onderzoeken waarbij mensen betrokken zijn als andere neuroimaging-methoden vanwege de kleine maar significante blootstelling aan straling die nodig is. Toch zeggen de Brookhaven-onderzoekers dat het mogelijk zou zijn om een draagbare PET-scanner te maken die in iets past dat lijkt op een voetbalhelm. Joseph Huston, voorzitter van het Center for Behavioral Neurosciences aan de Universiteit van Düsseldorf, zegt dat de Brookhaven-groep de neurowetenschappelijke gemeenschap een ongelooflijke dienst heeft bewezen door het apparaat te ontwikkelen. De rat is het belangrijkste model voor de hersenen - alles wat we weten over leren, eten, angst en seks is gebaseerd op werk bij de rat.
Schlyer zegt dat zijn groep met een paar bedrijven heeft gesproken over het licentiëren van een commerciële versie van het apparaat. Maar voorlopig plannen ze vooral verdere gedragsstudies in hun lab. Het in kaart brengen van dopamine bij wakkere dieren zou inzicht kunnen bieden in een breed scala aan normale en pathologische aandoeningen, zoals de bewegingsproblemen die samenhangen met de ziekte van Parkinson. Maar dopamine is slechts een van de vele hersenchemicaliën die de groep in kaart kan brengen. Schlyer zegt dat ze ook het seksuele gedrag van ratten zullen bestuderen.
De groep werkt ook aan een ander instrument dat PET combineert met magnetische resonantiebeeldvorming om rijkere informatie te geven over weefselstructuur en -functie. Volgende maand starten ze een klinische proef met dit apparaat bij borstkankerpatiënten.