التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي علم البصريات الوراثي

يتمثل الهدف العام من إجراء التصوير هذا في الجمع بين التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (F-MRI) والتحفيز البصري الوراثي (optogenetic stimulation) لرسم خرائط متخصصة لأنواع الخلايا للدوائر العصبية الوظيفية وديناميكياتها عبر الدماغ الحي بأكمله. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على أسئلة رئيسية في مجال علوم الأعصاب، مثل تحديد دور عناصر دوائر دماغية محددة في تحفيز نشاط الدماغ الشامل. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية في أنها تسمح بتحفيز متخصص لأنواع الخلايا وقراءة ذات دقة مكانية عالية نسبيًا لنشاط الدماغ الشامل.

سيقوم بتوضيح هذا الإجراء جيا ليو وزونجنان فانج، وهما طالبان في مرحلة الدراسات العليا في مختبري. بعد تخدير الحيوان كما هو موصوف في البروتوكول النصي، قم بحلاقة الرأس باستخدام ماكينة حلاقة كهربائية وإجراء فرك جراحي ثلاثي للجلد باستخدام Betadine وشطفه بـ 70% ethanol. بعد ذلك، قم بتثبيت جمجمة الحيوان في جهاز التوجيه المجسم (stereotaxic apparatus).

استخدم مشرطًا لإجراء شق في منتصف فروة الرأس بطول يتراوح من 15 إلى 20 مليمتر. قم بإرجاع فروة الرأس باستخدام ملاقط إرقاء جراحية مثبتة في السمحاق. حدد مواقع Lambda وBregma على الجمجمة، ثم ضع ريشة المثقاب فوق المنطقة المستهدفة (ROI).

قم بإجراء ثقب صغير في الجمجمة فوق المنطقة المستهدفة (ROI) باستخدام مثقاب أسنان، مع الحرص على عدم ثقب الدماغ. أدخل ببطء إبرة متصلة بمحقنة ميكرولترية عبر ثقب الجمجمة وصولاً إلى المنطقة المستهدفة (ROI) في الدماغ. بعد ذلك، استخدم وحدة تحكم في مضخة المحقنة الدقيقة لحقن 2 µL من محلول الناقل في المنطقة المستهدفة (ROI).

بعد اكتمال عملية الحقن، انتظر لمدة 10 دقائق، ثم قم بإزالة السرنجة ببطء وبمعدل 0.5 millimeters لكل دقيقة. وبعد الحقن، جفف سطح الجمجمة. تحقق من إحداثيات منطقة الاهتمام (ROI) ثم أدخل غرسة الفيرول (ferrule implant) حتى العمق المستهدف بمعدل 0.5 millimeters لكل دقيقة.

أخيراً، قم بتثبيت غرسة الفيرول (ferrule) في الجمجمة باستخدام الأسمنت السني. بعد تصلب الأسمنت السني، قم بإغلاق الشق الجراحي بغرزات خياطة حول غطاء الأسمنت السني. ابدأ بتوصيل كابل التوصيل الليفي (fiberoptic patch cable) بمصدر ضوء ليزر، وقم بقياس المخرجات عند طرف أسطوانة كابل التوصيل باستخدام مقياس الطاقة.

اضبط مستوى القدرة المناسب لإنتاج المخرج المطلوب عند طرف كابل الألياف الضوئية المزروع داخل الدماغ. امنع تسرب الضوء من الغرسة عن طريق تغطية عيني الحيوان. ثم، ضع الملف فوق رأس الحيوان.

استخدم غلاف الفيرول لتثبيت كابل الألياف البصرية في غرسة الفيرول. ضع الحامل وبداخله الحيوان في تجويف الماسح الضوئي. راقب معدل التنفس وثاني أكسيد الكربون المدي ودرجة حرارة الجسم طوال التجربة عن طريق ضبط جهاز التنفس الاصطناعي للحفاظ على القيم الفسيولوجية ضمن الحدود المناسبة.

قم بتوصيل كابلات BNC من منفذ التشغيل في ماسح MRI إلى مولد الدوال. اختر تسلسل تحديد الموضع وانقر على 'scan' في نافذة التشغيل. انقر على 'continue' لتصوير موقع رأس الحيوان.

إذا لم يكن الدماغ في المركز المتساوي (isocenter)، قم بتعديل موقع رأس الحيوان وأعد إجراء مسح تحديد الموضع حتى يصبح الدماغ في المركز المتساوي. اكتسب صورة تشريحية عالية الدقة للتحقق من السلامة العامة للدماغ، ولتأكيد موقع غرس الألياف الضوئية. بعد ذلك، اختر تسلسلاً موزوناً بالزمن الثاني (T2 weighted sequence).

قم بضبط عدد المقاطع، ثم انقر على "scan" للحصول على الصور التشريحية الإكليلية عالية الدقة الموزونة بالزمن T2. وأخيرًا، اختر تسلسل صدى عكسي متدرج متعدد المقاطع، ثم انقر على "continue" للحصول على الصورة الوظيفية. يستخدم هذا البروتوكول التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي المعتمد على علم البصريات الوراثي (optogenetic F-MRI) لتحفيز القشرة الحركية في نموذج حيواني.

توضح خريطة التنشيط هذه البكسلات الحجمية (voxels) المنشطة في القشرة الحركية والمهاد، مما يشير إلى وجود اتصالات مشبكية بعيدة المدى بين هاتين المنطقتين. هنا، تظهر الإشارة القوية للبكسلات الحجمية النشطة في القشرة الحركية والمهاد أثناء التحفيز البصري الوراثي للقشرة الحركية. وتُظهر دالة الاستجابة الديناميكية الدموية في المهاد استجابة متأخرة مقارنة بالاستجابة في القشرة الحركية بعد التحفيز.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكون لديك معرفة جيدة بكيفية إجراء جراحات الزرع والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي باستخدام علم البصريات الوراثي. وبمجرد إتقان هذا الإجراء التصويري، يمكن إكماله في غضون ساعتين. وأثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم جدًا مراقبة الحيوان والحفاظ على وظائفه الفسيولوجية ضمن الحدود الطبيعية.

بعد اتباع هذا الإجراء، يمكن استخدام طرق تكميلية، مثل الفيزيولوجيا الكهربائية لدراسة الديناميكيات الزمنية للنشاط العصبي، أو الكيمياء النسيجية المناعية للتحقق من تعبير وخصوصية الأوبسين. وقد مهد تطوير هذه التقنية الطريق لعلماء الأعصاب لاستقصاء الاتصالية الوظيفية في دماغ حي وسليم. ولا تنسَ أن العمل باستخدام ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) قد يكون خطيراً للغاية.

يجب دائمًا اتخاذ الاحتياطات اللازمة، مثل إبقاء المعدات المغناطيسية بعيدة بما يكفي عن الماسح الضوئي، أثناء اتباع هذا الإجراء.