قوس العقل

الموسوعة الحرة
ثلاثة أقواس دماغية من الخلايا العصبية للفأر من ليختمان وسانيس، 2008

قوس الدماغ هي عملية يمكن من خلالها التمييز بين الخلايا العصبية الفردية في الدماغ والخلايا العصبية المجاورة باستخدام البروتينات الفلورية. من خلال التعبير العشوائي عن نسب مختلفة من مشتقات البروتين الفلوري الأخضر باللون الأحمر والأخضر والأزرق في الخلايا العصبية الفردية، من الممكن تمييز كل خلية عصبية بلون مميز. كانت هذه العملية مساهمة كبيرة في مجال الاتصالات العصبية .

تم تطوير هذه التقنية في الأصل عام 2007 بواسطة فريق بقيادة جيف دبليو ليختمان وجوشوا آر سانيس ، وكلاهما في جامعة هارفارد . [1] تم تكييف التقنية الأصلية مؤخرًا للاستخدام مع كائنات بحثية نموذجية أخرى بما في ذلك ذبابة الفاكهة ( دروسوفيلا ميلانوجاستر )، وسمك الزرد ( دانيو ريريو [2] )، وعربيدوبسيس ثاليانا . [3]

في حين كانت تقنيات الوسم السابقة تسمح برسم خريطة لعدد قليل من الخلايا العصبية فقط، فإن هذه الطريقة الجديدة تسمح بإضاءة أكثر من 100 خلية عصبية تم رسم خرائطها بشكل مختلف في وقت واحد وبطريقة مختلفة بهذه الطريقة. وهذا يؤدي إلى مظهرها المتعدد الألوان المميز في التصوير، مما أكسبها اسمها وفوزها بجوائز في مسابقات التصوير العلمي. [ بحاجة لمصدر ]

التاريخ والتطور

قوس دماغي من الخلايا العصبية للفأر من سميث، 2007

تم تطوير Brainbow في البداية بواسطة Jeff W. Lichtman و Joshua R. Sanes في جامعة واشنطن في سانت لويس . [1] قام الفريق ببناء Brainbow باستخدام عملية من خطوتين: أولاً، تم إنشاء بنية وراثية محددة يمكن إعادة دمجها في ترتيبات متعددة لإنتاج أحد الألوان الثلاثة أو الأربعة بناءً على البروتينات الفلورية (XFPs) المحددة التي يتم تنفيذها. [4] بعد ذلك، تم إدخال نسخ متعددة من نفس البنية المعدلة وراثيًا في جينوم الأنواع المستهدفة، مما أدى إلى التعبير العشوائي عن نسب XFP المختلفة وبالتالي التسبب في ظهور خلايا مختلفة لمجموعة متنوعة من الألوان الملونة. [4]

تم إنشاء Brainbow في الأصل كتحسين لتقنيات التصوير العصبي الأكثر تقليدية ، مثل صبغ جولجي وحقن الصبغة، وكلاهما قدم قيودًا شديدة للباحثين في قدرتهم على تصور البنية المعقدة للدوائر العصبية في الدماغ . [1] في حين كانت التقنيات القديمة قادرة فقط على صبغ الخلايا بمجموعة محدودة من الألوان، وغالبًا ما تستخدم الفئران المعدلة وراثيًا ثنائية وثلاثية الألوان للكشف عن معلومات محدودة فيما يتعلق بالهياكل العصبية، فإن Brainbow أكثر مرونة بكثير من حيث قدرتها على وضع علامات فلورية على الخلايا العصبية الفردية بما يصل إلى حوالي 100 لون مختلف حتى يتمكن العلماء من تحديد وحتى التمييز بين العمليات الشجيرية والمحورية . [4] من خلال الكشف عن مثل هذه المعلومات التفصيلية حول الاتصال والأنماط العصبية، وأحيانًا حتى في الجسم الحي، غالبًا ما يتمكن العلماء من استنتاج المعلومات المتعلقة بالتفاعلات العصبية وتأثيرها اللاحق على السلوك والوظيفة. وبالتالي، ملأ Brainbow الفراغ الذي خلفته طرق التصوير العصبي السابقة.

مع ظهور Brainbow مؤخرًا في علم الأعصاب ، أصبح الباحثون الآن قادرين على إنشاء خرائط محددة للدوائر العصبية والتحقيق بشكل أفضل في كيفية ارتباطها بالأنشطة العقلية المختلفة والسلوكيات المرتبطة بها (أي أن Brainbow يكشف عن معلومات حول الترابطات بين الخلايا العصبية وتفاعلاتها اللاحقة التي تؤثر على وظائف الدماغ بشكل عام). وكاستقراء إضافي لهذه الطريقة، يمكن أيضًا استخدام Brainbow لدراسة الاضطرابات العصبية والنفسية من خلال تحليل الاختلافات في الخرائط العصبية. [4]

طُرق

تسمح ثلاث نسخ من التركيبة الجينية بالتعبير عن مجموعات ألوان متعددة من الفلوروفور. لوسون كورتز وآخرون / جامعة ديوك
التركيب الجيني الأساسي لـ Brainbow1. لوسون كورتز وآخرون / جامعة ديوك

تعتمد تقنيات Brainbow على إعادة تركيب Cre-Lox ، حيث يدفع بروتين Cre recombinase إلى عكس أو استئصال الحمض النووي بين مواقع loxP. تتضمن طريقة Brainbow الأصلية كلًا من Brainbow-1 وBrainbow-2، والتي تستخدم أشكالًا مختلفة من إعادة تركيب cre/lox. تم تطوير Brainbow-3، وهو نسخة معدلة من Brainbow-1، في عام 2013. [5] بالنسبة لجميع الأنواع الفرعية لـ Brainbow، فإن التعبير عن XFP معين هو حدث عشوائي.

يستخدم Brainbow-1 بنيات DNA ذات جينات بروتينية فلورية مختلفة (XFPs) مفصولة بأشكال متحولة وتقليدية من loxP. وهذا يخلق مجموعة من احتمالات الاستئصال المتبادلة الحصرية، حيث يحدث إعادة التركيب بوساطة cre فقط بين مواقع loxP المتطابقة. [1] بعد حدوث إعادة التركيب، يتم التعبير عن البروتين الفلوري الذي يبقى مباشرة بعد المحفز بشكل فريد. وبالتالي، يمكن للبناء الذي يحتوي على أربعة جينات XFP مفصولة بثلاثة مواقع loxP مختلفة، وثلاثة أحداث استئصال، والبناء الأصلي أن ينتج أربعة بروتينات فلورية مختلفة. [4]

يستخدم Brainbow-2 استئصال Cre وعكسه للسماح بإمكانيات تعبير متعددة في بنية معينة. في جزء واحد من الحمض النووي مع اثنين من XFPs ذات الاتجاه المعاكس، سيحفز Cre حدث عكس عشوائي يترك بروتينًا فلوريًا واحدًا في الاتجاه الصحيح للتعبير. إذا تم محاذاة اثنين من هذه التسلسلات القابلة للعكس، فمن الممكن حدوث ثلاثة أحداث عكس مختلفة. عند النظر في أحداث الاستئصال أيضًا، سيتم التعبير عن أحد البروتينات الفلورية الأربعة لمجموعة معينة من استئصال Cre وعكسه.

يحتفظ Brainbow-3 بصيغة Brainbow-1 loxP، لكنه يستبدل جينات RFP وYFP وCFP بجينات mOrange2 وEGFP وmKate2. تم اختيار mO2 وEGFP وmK2 لأن أطياف الإثارة والانبعاث الفلورية الخاصة بها تتداخل بشكل ضئيل، ولأنها تشترك في تشابه تسلسلي ضئيل، مما يسمح بتصميم أجسام مضادة انتقائية يمكن استخدامها للكشف عنها في البروتوكولات المناعية الكيميائية . يعالج Brainbow-3 أيضًا مشكلة الملء غير المتساوي للخلايا العصبية بـ XFPs باستخدام مشتقات فارنيسلية من XFPs، والتي يتم نقلها بشكل أكثر توازناً إلى الأغشية العصبية. [5]

يتم تنفيذ Brainbow في الجسم الحي عن طريق تهجين سلالتين من الكائنات الحية المعدلة وراثيًا : واحدة تعبر عن بروتين Cre وأخرى تم تحويلها باستخدام عدة إصدارات من بنية loxP/XFP. يسمح استخدام نسخ متعددة من الجين المنقول للبروتينات XFP بالجمع بطريقة يمكن أن تعطي واحدًا من حوالي 100 لون مختلف. [4] وبالتالي، يتم تمييز كل خلية عصبية بصبغة مختلفة بناءً على التعبير التركيبي والعشوائي للبروتينات الفلورية.

من أجل توضيح أنماط التعبير التفاضلية لـ XFP في شكل مرئي، يتم تصوير شرائح الدماغ باستخدام المجهر البؤري . عند التعرض لفوتون بطول موجة الإثارة الخاص به، يصدر كل فلوروفور إشارة يتم تجميعها في قناة حمراء أو خضراء أو زرقاء، ويتم تحليل تركيبة الضوء الناتجة باستخدام برنامج تحليل البيانات. [1] يسمح تراكب الخلايا العصبية ذات الألوان المختلفة بالفك البصري للدوائر العصبية المعقدة.

تم اختبار Brainbow بشكل أساسي على الفئران حتى الآن؛ ومع ذلك، تم تعديل التقنية الأساسية الموضحة أعلاه أيضًا لاستخدامها في دراسات أحدث منذ ظهور الطريقة الأصلية التي تم تقديمها في عام 2007.

الفئران

قوس دماغي من الخلايا العصبية في جنين فأر (ب)، بالإضافة إلى بعض الصور المأخوذة من الدماغ لخلايا عصبية مماثلة (شيدوتال وريتشاردز، 2010)

يحتوي دماغ الفأر على 75000000 خلية عصبية وهو أكثر تشابهًا مع دماغ الإنسان من ذبابة الفاكهة والكائنات الحية الأخرى المستخدمة بشكل شائع لنمذجة هذه التقنية، مثل C. elegans . كانت الفئران هي الكائنات الحية الأولى التي تم فيها استخدام طريقة Brainbow للتصوير العصبي بنجاح. [1] طور ليفيت وآخرون (2007) نسختين من فئران Brainbow باستخدام Brainbow-1 و Brainbow-2، والموصوفة أعلاه. [1] عند استخدام هذه الطرق لإنشاء خريطة كاملة وتتبع محاور عضلة الفأر، من الضروري جمع عشرات الآلاف من الصور وتجميعها في مجموعات لإنشاء مخطط كامل. [4] ومن الممكن بعد ذلك تتبع كل محور حركي واتصالاته المشبكية لبناء شبكة كاملة للعضلة.

توجد أمثلة أخرى للخلايا العصبية التي تم فحصها باستخدام تقنية Brainbow في الفئران المعدلة وراثيًا في العصب الحركي الذي يعصب عضلات الأذن، والمسارات المحورية في جذع الدماغ ، والتلفيف المسنن الحُصيني . [4]

ذبابة الفاكهة

إن تعقيد دماغ ذبابة الفاكهة ، والذي يتكون من حوالي 100000 خلية عصبية، يجعله مرشحًا ممتازًا لتطبيق تقنيات علم وظائف الأعصاب وعلم الأعصاب مثل Brainbow. في الواقع، قامت ستيفاني هامبل وآخرون (2011) بدمج Brainbow جنبًا إلى جنب مع أدوات الاستهداف الجيني لتحديد الخلايا العصبية الفردية داخل دماغ ذبابة الفاكهة والسلالات العصبية المختلفة. [6] كانت إحدى أدوات الاستهداف الجيني عبارة عن نظام تعبير ثنائي GAL4/UAS يتحكم في التعبير عن UAS-Brainbow ويستهدف التعبير لمجموعات صغيرة من الخلايا العصبية. أدى استخدام طرق "Flip Out" إلى زيادة الدقة الخلوية للبنية المراسل. يعتمد التعبير عن البروتينات الفلورية، كما هو الحال مع Brainbow الأصلي، على إعادة تركيب Cre المقابلة لمواقع lox المطابقة. كما طور هامبل وآخرون (2011) اختلافهم الخاص من Brainbow (dBrainbow)، استنادًا إلى وسم الأجسام المضادة للنظائر المشعة بدلاً من الفلورسنت الداخلي. [6] تنتج نسختان من بنيتهم ​​ستة ألوان زاهية قابلة للفصل. وهذا، إلى جانب التبسيطات في تعيين الألوان، مكنهم من ملاحظة مسارات كل خلية عصبية على مسافات طويلة. وعلى وجه التحديد، تتبعوا الخلايا العصبية الحركية من الفص الهوائي إلى الوصلات العصبية العضلية، مما سمح لهم بتحديد الأهداف العضلية المحددة للخلايا العصبية الفردية.

وفي نهاية المطاف، توفر هذه التقنية القدرة على رسم خريطة فعالة للدوائر العصبية في ذبابة الفاكهة، بحيث يتمكن الباحثون من اكتشاف المزيد من المعلومات حول بنية دماغ هذا اللافقاري وكيفية ارتباطه بسلوكه اللاحق.

القيود

كما هو الحال مع أي تقنية تصوير عصبي ، فإن تقنية Brainbow بها عدد من القيود التي تنبع من الأساليب المطلوبة لإجرائها. على سبيل المثال، عملية تربية سلالتين على الأقل من الحيوانات المعدلة وراثيًا من الخلايا الجذعية الجنينية تستغرق وقتًا طويلاً ومعقدة. حتى لو تم إنشاء نوعين معدلين وراثيًا بنجاح، فلن تظهر جميع ذريتهما إعادة التركيب. وبالتالي، يتطلب هذا تخطيطًا مكثفًا قبل إجراء التجربة. [4]

بالإضافة إلى ذلك، وبسبب الطبيعة العشوائية في التعبير عن البروتينات الفلورية، فإن العلماء غير قادرين على التحكم بدقة في تسمية الدوائر العصبية، مما قد يؤدي إلى ضعف التعرف على الخلايا العصبية المحددة.

إن استخدام قوس الدماغ في مجموعات الثدييات يعوقه أيضًا التنوع المذهل للخلايا العصبية في الجهاز العصبي المركزي . إن الكثافة الهائلة للخلايا العصبية إلى جانب وجود مساحات طويلة من المحاور تجعل رؤية مناطق أكبر من الجهاز العصبي المركزي بدقة عالية أمرًا صعبًا. يعد قوس الدماغ مفيدًا للغاية عند فحص دقة الخلية الفردية على خلفية بيئة متعددة الخلايا معقدة. ومع ذلك، نظرًا لحدود دقة المجهر الضوئي ، فإن التعرف القاطع على الاتصالات المشبكية بين الخلايا العصبية ليس من السهل تحقيقه. يتم تجنب هذه المشكلة إلى حد ما من خلال استخدام العلامات المشبكية لتكملة استخدام المجهر الضوئي في رؤية الاتصالات المشبكية. [7]

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ abcdefg Livet, J.; Weissman, TA; Kang, H.; Draft, RW; Lu, J.; Bennis, RA; Sanes, JR; Lichtman, JW (2007). "استراتيجيات متحولة وراثيًا للتعبير التركيبي عن البروتينات الفلورية في الجهاز العصبي". Nature . 450 (7166): 56–62. Bibcode :2007Natur.450...56L. doi :10.1038/nature06293. PMID  17972876. S2CID  4402093.
  2. ^ بان، يا؛ ليفيه، جيه؛ سانيس، جيه آر؛ ليختمان، جيه دبليو؛ شير، ايه اف (2011-01-01). "تصوير قوس الدماغ متعدد الألوان في سمك الزرد". بروتوكولات كولد سبرينج هاربور . 2011 (1): pdb.prot5546. doi :10.1101/pdb.prot5546. ISSN  1559-6095. PMC 3082469. PMID  21205846 . 
  3. ^ ماش، جينيفر (2011-07-01). "التحليل الاستنساخي باستخدام نظام براينبو الأخ". الخلية النباتية . 23 (7): 2471. doi :10.1105/tpc.111.230710. ISSN  1532-298X. PMC 3226220 . 
  4. ^ abcdefghi Lichtman, Jeff; Jean Livet; Joshua Sanes (June 2008). "A technicolour approach to the connectome". Nature Reviews Neuroscience . 9 (6): 417–422. doi : 10.1038/nrn2391. PMC 2577038. PMID  18446160. 
  5. ^ ab Cai, D.; Cohen, KB; Luo, T.; Lichtman, JW; Sanes, JR (2013). "أدوات محسنة لمجموعة أدوات Brainbow". Nature Methods . 10 (6): 540–547. doi :10.1038/nmeth.2450. PMC 3713494. PMID  23817127 . 
  6. ^ ab Stefanie Hampel؛ Phuong Chung؛ Claire McKellar؛ Donald Hall؛ Loren Looger؛ Julie Simpson (فبراير 2011). "Drosophila Brainbow: تقنية وسم الفلوريسنت القائمة على إعادة التركيب لتقسيم أنماط التعبير العصبي". Nature Methods . 8 (3): 253–260. doi :10.1038/nmeth.1566. PMC 3077945. PMID  21297621 . 
  7. ^ داوالي، أ؛ بهالا (2008). "الشبكة والتشابك العصبي: 100 عام بعد كاخال". مجلة HFSP . 2 (1): 12-16. doi :10.2976/1.2835214. PMC 2640997. PMID  19404449. 
تم الاسترجاع من "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=قوس_الدماغ&oldid=1246079412"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate