211service.com
Bärbar skanner öppnar ny gräns inom neurovetenskap
En liten bärbar skanner har för första gången använts för att spåra kemisk aktivitet i hjärnan på ohämmade djur. Genom att avslöja neurologiska kretsar när försökspersonerna utför normala uppgifter, säger forskare, kan tekniken avsevärt bredda förståelsen av inlärning, beroende, depression och andra tillstånd.
Bärbart PET: Ett råtthuvud passar i den cirkulära öppningen på denna enhet, som är omgiven av miniatyriserade detektorer och elektronik.
Enheten designades för att användas med råttor - den huvudsakliga djurmodellen som används av beteendeneuroforskare. Men forskarna som utvecklade enheten, vid Brookhaven National Laboratory, säger att det skulle vara enkelt att konstruera en liknande enhet för människor.
Positronemissionstomografi, eller PET, används redan i stor utsträckning inom neurovetenskaplig forskning och i klinisk behandling. Det gör det möjligt för forskare att spåra platsen för radioaktivt märkta neurotransmittorer (kemikalierna som bär signaler mellan neuroner) eller droger i hjärnan. Bilder av hur signalsubstanser och droger rör sig genom hjärnan kan avslöja de processer som ligger till grund för normalt beteende såsom inlärning och patologier inklusive beroende. PET har använts för att kartlägga läkemedelsbindande platser i hjärnan hos missbrukare och friska människor, och för att studera hur dessa platser förändras över tid och med terapi.
En konventionell PET-skanner är så stor att dessa studier måste utföras med försökspersonen liggande inuti ett stort rör. Stora fotomultiplikatorrör förstärker signaler från gammastrålar som sänds ut av märkta kemikalier i hjärnan. Signalerna passerar sedan genom ett ställ av elektronik i skrivbordsstorlek som bearbetar dem och mappar dem till en viss del av hjärnan. För att få bra avläsningar under djurstudier är försökspersonerna vanligtvis sövda eller fasthållna. Det som mäts är inte normalt vaket beteende.
Vi har mycket begränsad data om vad hjärnor gör i den verkliga världen, säger Paul Glimcher , professor i neurovetenskap, ekonomi och psykologi vid New York University. Glimcher var inte involverad i arbetet.
Den nya bärbara skannern är designad för att ge samma information om hjärnans kemi medan ett djur beter sig naturligt. Den är liten och lätt nog att en råtta kan bära runt den på huvudet. [Råttan] kan röra sig fritt, interagera med andra djur, och samtidigt kan vi göra en 3D-karta över till exempel dopaminreceptorer i hela hjärnan, säger David schlyer , en senior forskare vid Brookhaven som ledde arbetet.
Schlyers grupp arbetade i flera år för att konstruera en miniatyr PET-skanner som kunde bäras av ett rörligt motiv. Enheten består av en metallring som hänger från en stödstruktur som hjälper till att stödja dess vikt och låter råttan röra sig. Råttans huvud går in i ringen, som innehåller både detektorer och elektronik.
Nyckeln till att miniatyrisera enheten, säger Schlyer, var att integrera all elektronik för varje detektor i ringen på ett enda, specialiserat chip. En lavinfotodiod ersätter också de stora fotomultiplikatorrören i konventionell PET, och förstärker signalerna som sänds ut av de märkta kemikalierna i hjärnan. Råttorna tar ungefär en timme att acklimatisera sig och börjar sedan bete sig normalt, säger Schlyer. Brookhaven-enheten beskrivs den här veckan i tidskriften Naturmetoder .
Brookhaven-gruppen använde skannern för att kartlägga dopaminreceptorerna i hela hjärnan hos rörliga råttor för första gången. Andra grupper, inklusive Glimchers, har tidigare använt invasiva sonder för att studera dopaminnivåer i kubikmillimeterstora delar av hjärnan hos ohämmade djur, men har inte kunnat titta på hela hjärnan.
Glimcher beskriver ett av flera experiment som skulle kunna göras med den bärbara enheten. Forskare vet att missbrukare som framgångsrikt har genomfört rehab löper stor risk för återfall om de besöker de platser de förknippar med drogen, förmodligen för att deras hjärna har blivit kemiskt omkopplad för att svara på dessa associationer. Glimcher föreställer sig studier på råttor som kartlägger hjärnans kemi när djuren får bestämma om de ska ta en drog eller inte, och när de vandrar till en plats de har lärt sig att associera med drogen.
Vi förstår inte riktigt hur kretsar i [olika delar av hjärnan] interagerar vid beroende, säger Glimcher. För att ens komma till ett ställe där jag kan ge dig en klinisk hypotes, måste vi få mer grundläggande information. Det här är genombrottet som skulle kunna göra det möjligt.
PET används inte lika brett i studier som involverar människor som andra neuroimagingmetoder på grund av den lilla men betydande exponeringen för strålning som är nödvändig. Fortfarande säger Brookhaven-forskarna att det skulle vara möjligt att göra en bärbar PET-skanner som får plats inuti något som liknar en fotbollshjälm. Joseph Huston, ordförande för Center for Behavioral Neurosciences vid universitetet i Düsseldorf, säger att Brookhaven-gruppen har gjort en otrolig tjänst till neurovetenskapsgemenskapen när det gäller att utveckla enheten. Råttan är den viktigaste modellen för hjärnan – allt grundläggande [vi vet] om inlärning, matning, rädsla, sex, är baserat på arbete i råttan.
Schlyer säger att hans grupp har pratat med några företag om licensiering av en kommersiell version av enheten. Men för tillfället planerar de främst ytterligare beteendestudier i sitt labb. Kartläggning av dopamin hos vakna djur kan ge insikter i ett brett spektrum av normala och patologiska tillstånd som rörelseproblem i samband med Parkinsons sjukdom. Men dopamin är bara en av de många hjärnkemikalier som gruppen kan kartlägga. Schlyer säger att de också kommer att studera det sexuella beteendet hos råttor.
Gruppen arbetar också med ett annat instrument som kombinerar PET med magnetisk resonanstomografi för att ge rikare information om vävnadsstruktur och funktion. De kommer att starta en klinisk prövning av denna enhet på bröstcancerpatienter nästa månad.