انواع پژوهش: ابزاهای آناتومی و ابزارهای فیزیولوژی؛ حقایق مغز

As you’ve seen in previous chapters, neuroscientific research has made astounding advances in the past 150 years. The development of new research tools and technologies has driven these discoveries, from the first images of individual neurons to revealing the genetic causes of neurological disorders. This chapter introduces you to some of the most important research methods used to understand the brain, including unusual types of microscopy, animal models, and cutting-edge molecular techniques.

همانطور که در فصل‌های قبلی دیده‌اید، تحقیقات علوم اعصاب در ۱۵۰ سال گذشته پیشرفت‌های شگفت‌انگیزی داشته است. توسعه ابزارها و فناوری‌های جدید تحقیقاتی، این اکتشافات را از اولین تصاویر نورون‌های منفرد گرفته تا آشکار کردن علل ژنتیکی اختلالات عصبی، هدایت کرده است. این فصل شما را با برخی از مهم‌ترین روش‌های تحقیقاتی مورد استفاده برای درک مغز، از جمله انواع غیرمعمول میکروسکوپی، مدل‌های حیوانی و تکنیک‌های مولکولی پیشرفته، آشنا می‌کند.

TOOLS FOR ANATOMY

Anatomy is the study of structure most often, the structure of biological organisms. For the brain, anatomy starts with the structure of neurons, which are among the most complex and diverse cell types in our bodies. Scientists were first able to observe neurons in the late 19th century, thanks to histological techniques that start with a very thin slice of brain tissue to which scientists apply stains or other compounds that add contrast or color to specific structures. They then view the tissue with a light microscope, which passes visible light through the thin slice and lenses that make the structures look up to 1,000 times larger than they do with the naked eye.

ابزارهای آناتومی

آناتومی اغلب مطالعه ساختار، ساختار موجودات زنده بیولوژیکی است. برای مغز، آناتومی با ساختار نورون‌ها آغاز می‌شود که از پیچیده‌ترین و متنوع‌ترین انواع سلول در بدن ما هستند. دانشمندان برای اولین بار در اواخر قرن نوزدهم توانستند نورون‌ها را مشاهده کنند، به لطف تکنیک‌های بافت‌شناسی که با یک برش بسیار نازک از بافت مغز شروع می‌شود و دانشمندان رنگ‌ها یا ترکیبات دیگری را که به ساختارهای خاص کنتراست یا رنگ اضافه می‌کنند، به آن اضافه می‌کنند. سپس آنها بافت را با میکروسکوپ نوری مشاهده می‌کنند که نور مرئی را از طریق برش نازک عبور می‌دهد و لنزهایی که باعث می‌شوند ساختارها تا ۱۰۰۰ برابر بزرگتر از آنچه با چشم غیرمسلح دیده می‌شوند، به نظر برسند.

Histology is the study of how cells form tissues. Histological techniques can reveal changes in the density of cell types or the presence of molecules that can suggest a particular disease. These techniques have helped illuminate the brain changes underlying some neurodegenerative disorders. For example, histological methods have shown that an enzyme that breaks down acetylcholine is associated with the brain plaques and tangles of Alzheimer’s disease. And in the brains of Parkinson’s disease patients, histology has revealed the death of neurons that normally control movements through dopamine signaling.

بافت‌شناسی مطالعه چگونگی تشکیل بافت‌ها توسط سلول‌ها است. تکنیک‌های بافت‌شناسی می‌توانند تغییرات در تراکم انواع سلول‌ها یا وجود مولکول‌هایی را که می‌توانند نشان‌دهنده یک بیماری خاص باشند، آشکار کنند. این تکنیک‌ها به روشن شدن تغییرات مغزی زمینه‌ساز برخی از اختلالات عصبی کمک کرده‌اند. به عنوان مثال، روش‌های بافت‌شناسی نشان داده‌اند که آنزیمی که استیل کولین را تجزیه می‌کند با پلاک‌ها و گره‌های مغزی بیماری آلزایمر مرتبط است. و در مغز بیماران مبتلا به پارکینسون، بافت‌شناسی مرگ نورون‌هایی را که معمولاً حرکات را از طریق سیگنالینگ دوپامین کنترل می‌کنند، آشکار کرده است.

Long after light microscopes gave scientists their first glimpses of neurons, a debate bubbled in the scientific community: Are neurons individual cells or a mesh of physically interconnected cell bodies? Neurons are so densely packed that the answer wasn’t clear until the 1950s, after the development of a new technology called electron microscopy. Electron microscopes can produce useful detailed images of cellular structures magnified many 100,000s of times by directing a beam of electrons through very thin slices of tissue, then enlarging and focusing the image with electromagnetic lenses. With this technology, researchers were finally able to see that neurons are not physically continuous but, instead, are individual cells.

مدت‌ها پس از آنکه میکروسکوپ‌های نوری اولین نگاه اجمالی خود را به نورون‌ها به دانشمندان دادند، بحثی در جامعه علمی درگرفت: آیا نورون‌ها سلول‌های منفرد هستند یا شبکه‌ای از اجسام سلولی به هم پیوسته فیزیکی؟ نورون‌ها آنقدر متراکم هستند که پاسخ تا دهه 1950، پس از توسعه فناوری جدیدی به نام میکروسکوپ الکترونی، مشخص نبود. میکروسکوپ‌های الکترونی می‌توانند با هدایت پرتوی از الکترون‌ها از میان برش‌های بسیار نازک بافت، تصاویر دقیق و مفیدی از ساختارهای سلولی با بزرگنمایی ۱۰۰۰۰۰ برابر تولید کنند، سپس با استفاده از لنزهای الکترومغناطیسی، تصویر را بزرگ و متمرکز می‌کنند. با این فناوری، محققان سرانجام توانستند ببینند که نورون‌ها از نظر فیزیکی پیوسته نیستند، بلکه سلول‌های منفردی هستند.

Although they are individual cells, neurons do act in networks, communicating across small gaps called syn- apses, where the axon terminal of one cell meets a dendrite or cell body of another cell. One method for mapping the signaling pathways within these networks involves injecting radioactive molecules or “tracers” into the cell body of a neuron. Researchers monitor the movement of radioactivity down the neuron’s axon, showing where that neuronal path leads. A similar technique involves tracers that can actually travel across synapses, from one neuron to the next. Scientists have used such tracers to map the complex pathways by which information travels from the eyes to the visual cortex.

اگرچه نورون‌ها سلول‌های منفردی هستند، اما به صورت شبکه‌ای عمل می‌کنند و از طریق شکاف‌های کوچکی به نام سیناپس، جایی که پایانه آکسون یک سلول به دندریت یا جسم سلولی سلول دیگر می‌رسد، با هم ارتباط برقرار می‌کنند. یک روش برای نقشه‌برداری از مسیرهای سیگنالینگ در این شبکه‌ها شامل تزریق مولکول‌های رادیواکتیو یا “ردیاب‌ها” به جسم سلولی یک نورون است. محققان حرکت رادیواکتیویته را در امتداد آکسون نورون رصد می‌کنند و نشان می‌دهند که آن مسیر نورونی به کجا منتهی می‌شود. تکنیک مشابهی شامل ردیاب‌هایی است که می‌توانند در واقع از طریق سیناپس‌ها، از یک نورون به نورون بعدی، حرکت کنند. دانشمندان از چنین ردیاب‌هایی برای نقشه‌برداری از مسیرهای پیچیده‌ای که اطلاعات از طریق آنها از چشم‌ها به قشر بینایی منتقل می‌شوند، استفاده کرده‌اند.

Another technique for examining brain anatomy is magnetic resonance imaging, or MRI. Developed in the 1980s, MRI is widely used by researchers and doctors to view a detailed image of brain structure. MRI equipment uses radio waves and strong magnets to create images of the brain based on the distribution of water within its tissues. MRI is harmless and painless to the person being scanned, although it does require sitting or lying in a narrow tube, and the procedure can be quite noisy. With an MRI scan, researchers can tell the difference between the brain’s gray matter and white matter. Gray matter consists of the cell bodies of neurons, as well as their dendrites and synapses. White matter mostly contains axons wrapped in the fatty myelin coating that gives these regions their white color. Based on the distribution of water in the tissues, MRI images clearly differentiate between cerebrospinal fluid, the water-rich cells of gray matter, and fatty white matter.

روش دیگری برای بررسی آناتومی مغز، تصویربرداری رزونانس مغناطیسی یا MRI است. MRI که در دهه 1980 توسعه یافت، به طور گسترده توسط محققان و پزشکان برای مشاهده تصویر دقیقی از ساختار مغز استفاده می‌شود. تجهیزات MRI از امواج رادیویی و آهنرباهای قوی برای ایجاد تصاویر مغز بر اساس توزیع آب در بافت‌های آن استفاده می‌کنند. ام آر آی برای فرد مورد اسکن بی‌ضرر و بدون درد است، اگرچه نیاز به نشستن یا دراز کشیدن در یک لوله باریک دارد و این روش می‌تواند بسیار پر سر و صدا باشد. با اسکن ام آر آی، محققان می‌توانند تفاوت بین ماده خاکستری مغز و ماده سفید را تشخیص دهند. ماده خاکستری از جسم سلولی نورون‌ها و همچنین دندریت‌ها و سیناپس‌های آنها تشکیل شده است. ماده سفید عمدتاً شامل آکسون‌هایی است که در پوشش میلین چرب پیچیده شده‌اند و به این مناطق رنگ سفید می‌دهند. بر اساس توزیع آب در بافت‌ها، تصاویر ام آر آی به وضوح بین مایع مغزی نخاعی، سلول‌های غنی از آب ماده خاکستری و ماده سفید چرب تمایز قائل می‌شوند.

TOOLS FOR PHYSIOLOGY

Information is conveyed along the neuronal pathways that crisscross through our brains as electrical activity traveling down axons. To study this activity, researchers measure changes in the electrical charge of individual neurons using techniques of electrophysiology. A thin glass electrode is placed inside a neuron to measure the voltage across its cell membrane, which changes when the neuron is activated. This technique can measure neuron activity inside the brains of living lab animals such as rats or mice, enabling scientists to study how neurons transmit electrical information in their normal physical context. Alternatively, a slice of brain can be kept “alive” for a short time in a Petri dish, if the right environment (temperature, pH, ion concentrations, etc.) is provided. In an isolated brain slice, researchers can better identify the exact cell they are recording from and can infuse drugs into the Petri dish to determine their effects on the brain.

ابزارهای فیزیولوژی

اطلاعات در امتداد مسیرهای عصبی که در مغز ما به صورت فعالیت الکتریکی در امتداد آکسون‌ها حرکت می‌کنند، منتقل می‌شوند. برای مطالعه این فعالیت، محققان با استفاده از تکنیک‌های الکتروفیزیولوژی، تغییرات بار الکتریکی نورون‌های منفرد را اندازه‌گیری می‌کنند. یک الکترود شیشه‌ای نازک درون یک نورون قرار می‌گیرد تا ولتاژ غشای سلولی آن را که با فعال شدن نورون تغییر می‌کند، اندازه‌گیری کند. این تکنیک می‌تواند فعالیت نورون را در مغز حیوانات آزمایشگاهی زنده مانند موش صحرایی یا موش خانگی اندازه‌گیری کند و دانشمندان را قادر می‌سازد تا نحوه انتقال اطلاعات الکتریکی توسط نورون‌ها را در شرایط فیزیکی طبیعی خود مطالعه کنند. از طرف دیگر، اگر محیط مناسب (دما، pH، غلظت یون و غیره) فراهم شود، می‌توان یک برش از مغز را برای مدت کوتاهی در ظرف پتری “زنده” نگه داشت. در یک برش جدا شده از مغز، محققان می‌توانند سلول دقیقی را که از آن ثبت می‌کنند، بهتر شناسایی کنند و می‌توانند داروها را به ظرف پتری تزریق کنند تا اثرات آنها بر مغز را تعیین کنند.

Using these methods, scientists have made critical discoveries about synaptic plasticity- the capacity of a synapse to become stronger or weaker in response to sensory inputs or other activity. For example, repeatedly stimulating a neuron by training an animal in a particular task, or by direct electrical stimulation, increases the synaptic strength and the chance that the downstream neuron will react to the incoming signal.

با استفاده از این روش‌ها، دانشمندان به اکتشافات مهمی در مورد انعطاف‌پذیری سیناپسی – ظرفیت یک سیناپس برای قوی‌تر یا ضعیف‌تر شدن در پاسخ به ورودی‌های حسی یا سایر فعالیت‌ها – دست یافته‌اند. به عنوان مثال، تحریک مکرر یک نورون با آموزش یک حیوان در یک کار خاص یا با تحریک الکتریکی مستقیم، قدرت سیناپسی و احتمال واکنش نورون پایین‌دست به سیگنال ورودی را افزایش می‌دهد.

A disadvantage of electrophysiology, as described above, is that the techniques are highly invasive. However, another method, called electroenceph- alography or EEG, is able to record human brain activity without invasive or harmful procedures. In EEG, about 20 thin metal discs are placed on the scalp. Each disk is connected by thin wires to a machine that records the activity of neurons near the brain surface. This approach has been especially useful for understanding epilepsy and the stages of sleep. However, it does not provide information at the level of individual neurons.

یکی از معایب الکتروفیزیولوژی، همانطور که در بالا توضیح داده شد، این است که این تکنیک‌ها بسیار تهاجمی هستند. با این حال، روش دیگری به نام الکتروانسفالوگرافی یا EEG قادر به ثبت فعالیت مغز انسان بدون روش‌های تهاجمی یا مضر است. در EEG، حدود 20 دیسک فلزی نازک روی پوست سر قرار می‌گیرند. هر دیسک توسط سیم‌های نازک به دستگاهی متصل می‌شود که فعالیت نورون‌های نزدیک سطح مغز را ثبت می‌کند. این رویکرد به ویژه برای درک صرع و مراحل خواب مفید بوده است. با این حال، اطلاعاتی در سطح نورون‌های منفرد ارائه نمی‌دهد.

Researchers who need to look at individual neurons in a living brain can use a technique called two-photon microscopy. A lab animal such as a fly or mouse must be genetically modified so that some of its neurons produce a protein that glows when a laser beam shines on them. Two-photon microscopy has enabled scientists to understand changes in the brain during normal processes like learning, as well as changes that occur over the course of a disease – for example, watching how the branches on neurons near Alzheimer’s-like plaques break down over time.

محققانی که نیاز به بررسی نورون‌های منفرد در یک مغز زنده دارند، می‌توانند از تکنیکی به نام میکروسکوپی دو فوتونی استفاده کنند. یک حیوان آزمایشگاهی مانند مگس یا موش باید از نظر ژنتیکی اصلاح شود تا برخی از نورون‌های آن پروتئینی تولید کنند که هنگام تابش پرتو لیزر بر روی آنها می‌درخشد. میکروسکوپ دو فوتونی دانشمندان را قادر ساخته است تا تغییرات مغز را در طول فرآیندهای طبیعی مانند یادگیری و همچنین تغییراتی که در طول یک بیماری رخ می‌دهد، درک کنند – به عنوان مثال، مشاهده اینکه چگونه شاخه‌های نورون‌های نزدیک پلاک‌های شبیه آلزایمر با گذشت زمان تجزیه می‌شوند.