موفقیت دانشمندان در ایجاد ارتباط بین موش‌ها به کمک دستگاه بی‌سیم
مهندسان و زیست‌شناسان دانشگاه نورث‌وسترن آمریکا برای اولین‌بار به‌طور بی‌سیم موش‌ها را برنامه‌ریزی کردند تا با موش‌های دیگر ارتباط برقرار کنند. این پیشرفت به کمک دستگاه بسیار کوچک بدون باتریِ بی‌سیم کاملا قابل کاشتی حاصل شد که از نور برای فعال‌سازی نورون‌ها استفاده می‌کند. به گزارش ساینس دیلی، مطالعه‌ی جدید اولین مقاله اپتوژنتیکی (روشی برای کنترل نورون‌ها به کمک نور) است که به بررسی تعاملات اجتماعی درون گروه‌های حیوانات می‌پردازد که قبلاً با فناوری‌های فعلی ممکن نبود. ماهیت نازک، انعطاف‌پذیر و بی‌سیم این ایمپلنت به موش‌ها اجازه می‌دهد طبیعی به نظر برسند و در محیط‌های واقع‌گرایانه رفتار طبیعی داشته باشند که پژوهشگران را قادر می‌سازد آن‌ها را تحت شرایط طبیعی بررسی کنند.
پژوهش‌های قبلی که در آن‌ها از اپتوژنتیک استفاده شده بود، به کابل فیبر نوری نیاز داشت که حرکت موش‌ها را محدود می‌کرد و موجب می‌شد هنگام تعاملات اجتماعی یا در محیط‌های پیچیده گیر کنند. یوگنیا کوزورویتسکی، متخصص زیست‌شناسی عصب که آزمایش را طراحی کرد، می‌گوید:
با استفاده از فناوری‌های پیشین نمی‌توانستیم تعامل اجتماعی میان چند حیوان را در محیط‌های پیچیده مشاهده کنیم؛ زیرا محدود بودند و نمی‌توانستند آزادانه حرکت کنند. فیبرها ممکن است بشکند یا حیوانات در سیم‌ها گیر کنند. به‌منظور پرسش سؤالات پیچیده‌تر در مورد رفتار حیوانات در محیط‌های واقعی، به این فناوری بی‌سیم ابتکاری نیاز داشتیم.
جان راجرز که ایجاد فناوری را هدایت کرده است، می‌گوید:
این مقاله نمایشگر اولین باری است که توانسته‌ایم به ایمپلنت‌های بدون باتری بی‌سیم برای اپتوژنتیک با کنترل دیجیتال کامل و مستقل روی چندین دستگاه به‌طور هم‌زمان در یک محیط خاص دست پیدا کنیم. مطالعه‌ی فعالیت مغز در حیوانی منزوی جالب است؛ اما فراتر رفتن از مطالعه روی افراد و مطالعه‌ی گروه‌های پیچیده و دارای تعاملات اجتماعی یکی از مهم‌ترین و مهیج‌ترین مرزها در علوم اعصاب است. اکنون که این فناوری را داریم، می‌توانیم چگونگی ایجاد و شکستن پیوند میان افراد را در این گروه‌ها بررسی کنیم و نیز مطالعه کنیم که چگونه درنتیجه‌ی این تعاملات سلسله مراتب اجتماعی ایجاد می‌شود.
ازآن‌جا که مغز انسان سیستمی با حدود ۱۰۰ میلیارد نورون مرتبط با هم است، بررسی انفرادی یا حتی گروهی نورون‌ها بسیار دشوار است. اپتوژنتیک که حدود سال ۲۰۰۵ در مدل‌های حیوانی معرفی شد، کنترل نورون‌های خاص را که ازنظر ژنتیکی هدف‌گذاری شده‌اند، ممکن می‌سازد تا بتوانیم ارتباطات یا انتشار ناقل‌های عصبی آن‌ها را با دقت بی‌سابقه‌ای مورد بررسی قرار بدهیم.
پژوهشگران ابتدا نورون‌های موش‌های زنده را دست‌کاری می‌کنند تا ژن اصلاح‌شده‌ای از جلبک‌های حساس به نور را بیان کند. سپس می‌توان از نور خارجی برای کنترل اختصاصی و نظارت بر فعالیت مغز استفاده کرد. به علت اینکه این روش به مهندسی ژنتیک نیاز دارد، هنوز برای استفاده در انسان تأیید نشده است. کوزورویتسکی می‌گوید: «این روش مانند داستان‌های علمی‌تخیلی به نظر می‌رسد اما فناوری بسیار مفیدی است. اپتوژنتیک می‌تواند روزی برای درمان نابینایی یا فلجی استفاده شود.»
مطالعات پیشین اپتوژنتیک ازنظر فناوری تحویل نور محدود بودند. درحالی‌که پژوهشگران با استفاده از این روش به‌راحتی می‌توانند حیوانی را در انزوا مطالعه کنند، کنترل هم‌زمان فعالیت عصبی در الگوهای انعطاف‌پذیر درون گروه‌هایی از حیوانات دارای تعامل اجتماعی، چالش‌برانگیز بوده است. سیم‌های الیاف نوری به‌طور معمول از سر حیوان خارج می‌شوند و به منبع نور خارجی متصل می‌شوند. سپس می‌توان از برنامه‌ای نرم‌افزاری استفاده کرد تا حین نظارت بر رفتار حیوان نور را روشن و خاموش کرد. راجرز می‌گوید:
وقتی آن‌ها حرکت می‌کردند، سیم‌ها در هم می‌پیچید و این مسئله روی الگوی حرکت حیوان اثر داشت؛ بنابراین، این سؤال ایجاد می‌شد که در حال مطالعه چه رفتاری هستید؛ آیا رفتارهای طبیعی را مطالعه می‌کنید یا رفتارهای مرتبط با محدودیت فیزیکی را؟
کنترل بی‌سیم در زمان واقعی
راجرز و گروهش دستگاه بی‌سیم کوچکی را ساختند که با ملایمت روی سطح خارجی جمجمه اما زیر پوست و خز حیوان کوچک قرار می‌گیرد. این دستگاه که نیم میلی‌متر ضخامت دارد، به پروب رشته‌ای ریز و انعطاف‌پذیری که دیودهای نوردهنده‌ای (LED) در انتهای خود دارد، متصل می‌شود که از طریق شکاف ریزی در جمجمه به مغز گسترش پیدا می‌کند. این دستگاه کوچک از پروتکل‌های ارتباطات میدان نزدیک بهره می‌برد که همان فناوری مورد استفاده در تلفن‌های هوشمند برای پرداخت‌های الکترونیکی است. پژوهشگران به‌طور بی‌سیم و به کمک کامپیوتر نور را در زمان واقعی کنترل می‌کنند. آنتنی در اطراف محفظه‌ی حیوانات نیرو را به دستگاه بی‌سیم منتقل می‌کند و از این طریق دیگر به باتری حجیم و سنگینی نیاز نیست.
فعال‌سازی ارتباطات اجتماعی
کوزورویتسکی و همکارانش به‌منظور ایجاد اثبات مفهومی برای فناوری راجرز، آزمایشی را طراحی کردند تا رویکرد اپتوژنتیکی را برای کنترل از راه دور تعاملات اجتماعی میان جفت موش‌ها یا گروه‌های موش آزمایش کنند. وقتی موش‌ها ازنظر فیزیکی در محیطی بسته نزدیک یکدیگر بودند، گروه کوزورویتسکی به‌طور بی‌سیم و هم‌زمان مجموعه‌ای از نورون‌ها را در منطقه‌ی مغزی مرتبط با عملکرد اجرایی رده بالاتر فعال کردند و باعث شدند که آن‌ها فراوانی و مدت‌زمان تعاملات اجتماعی خود را افزایش بدهند.
برهم زدن همزمانی تحریک، بی‌درنگ تعاملات اجتماعی را در همان جفت موش کاهش داد. پژوهشگران توانستند کاری کنند که یک جفت انتخابی از موش‌ها نسبت به دیگران تعامل بیشتری داشته باشند. کوزورویتسکی می‌گوید: «فکر نمی‌کردیم این روش مؤثر باشد. طبق آنچه می‌دانیم، این اولین ارزیابی مستقیم از فرضیه‌ای دیرین در مورد همزمانی عصبی در رفتار اجتماعی است.»
این پژوهش در مجله‌ی Nature Neuroscience منتشر شده است.