نگاهی اجمالی به مغز: دستگاه تصویربرداری کوچک، فعالیت عصبی را در زمان واقعی نشان می‌دهد
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، دانشمندان یک دستگاه تصویربرداری جدید و جمع و جور توسعه داده‌اند که قرار است نحوه مطالعه مغز را متحول کند.
این دستگاه گامی بزرگ در جهت تغییر نحوه مطالعه مغز توسط دانشمندان علوم اعصاب است. این میکروسکوپ مینیاتوری با فراهم کردن تصویربرداری با وضوح بالا و در زمان واقعی از فعالیت مغز در موش‌های در حال حرکت آزاد، به محققان این امکان را می‌دهد تا رابطه بین فعالیت عصبی و رفتار را با جزئیات بی‌سابقه‌ای مشاهده کنند.
انتظار می‌رود این پیشرفت تکنولوژیکی درک ما از عملکرد مغز را به طور قابل توجهی عمیق‌تر کند و بینش‌های مهمی در مورد چگونگی ارتباط پیچیده ادراک، شناخت و رفتار با فرآیند‌های عصبی زیربنایی ارائه دهد.
در نهایت، این بینش‌ها می‌توانند به توسعه استراتژی‌های درمانی جدید برای اختلالات مغزی کمک کنند و به طور بالقوه درمان‌ها و نتایج را برای سلامت انسان بهبود بخشند.
دوربین بدون لنز، اشیاء سه بعدی را با استفاده از لنز‌های کوچک بازسازی می‌کند
ویجیان یانگ، استاد مهندسی برق و کامپیوتر، و تیمش با تکیه بر تحقیقات قبلی خود، دوربین بدون لنز DeepInMiniscope را توسعه دادند که قادر به تولید تصاویر سه‌بعدی از یک نوردهی واحد است. این دوربین به جای استفاده از یک لنز حجیم، از یک ماسک نازک تعبیه شده با ده‌ها لنز کوچک استفاده می‌کند که هر کدام نمای منحصر به فردی از یک شیء را ثبت می‌کنند.
سپس الگوریتم‌های محاسباتی پیشرفته این دیدگاه‌های چندگانه را برای بازسازی یک تصویر سه‌بعدی دقیق ترکیب می‌کنند و یک رویکرد فشرده و کارآمد برای تصویربرداری با وضوح بالا ارائه می‌دهند که می‌تواند نحوه مطالعه ساختار‌های پیچیده توسط محققان را متحول کند.
سیستم‌های تصویربرداری قبلی با اشیاء بزرگ در محیط‌های کم پراکندگی، مانند دید رباتیک برای مونتاژ قطعات، عملکرد خوبی داشتند، اما در ثبت جزئیات دقیق نمونه‌های بیولوژیکی یا زیست‌پزشکی با مشکل مواجه بودند. در بافت زنده، پراکندگی نور رایج است، کنتراست سیگنال اغلب کم است و بازسازی ویژگی‌های پیچیده در یک حجم بزرگ، یک چالش محاسباتی قابل توجه را نشان می‌دهد.
DeepInMiniscope با یک ماسک بازطراحی‌شده حاوی بیش از ۱۰۰ لنز کوچک‌شده با وضوح بالا، که با یک شبکه عصبی جدید برای بازسازی تصویر جفت شده است، بر این محدودیت‌ها غلبه می‌کند. این رویکرد به سیستم اجازه می‌دهد تا از میان بافت «ببیند» و تصویربرداری زیست‌پزشکی دقیق را بدون جراحی یا سایر روش‌های تهاجمی امکان‌پذیر کند.
ثبت فوری فعالیت عصبی موش
DeepInMiniscope از یک شبکه عصبی استفاده می‌کند که بهینه‌سازی تکراری مبتنی بر مدل را با یادگیری عمیق مرسوم ادغام می‌کند. شبکه باز شده حاصل شامل چندین مرحله است که هر کدام مانند یک شبکه کوچک عمل می‌کنند که یک تکرار بهینه‌سازی را تقلید می‌کند.
برای میکروسکوپ یانگ، این شبکه فوراً جزئیات با وضوح بالا را در یک حجم بزرگ سه‌بعدی بازسازی می‌کند و داده‌ها را از هر ۱۰۰ لنز کوچک در یک تصویر منسجم واحد ادغام می‌کند. با استفاده از این رویکرد، یانگ و تیمش با موفقیت فعالیت عصبی در زمان واقعی را در موش‌ها ثبت کرده‌اند و فرآیند‌های پیچیده مغز را با وضوح بی‌سابقه‌ای به تصویر کشیده‌اند.
فنگ تیان، محقق فوق دکترا در آزمایشگاه یانگ و نویسنده اول این مطالعه، توضیح داد: الگوریتم ما قابلیت تفسیر، کارایی، مقیاس‌پذیری و دقت را با هم ترکیب می‌کند. این الگوریتم تنها به مقدار کمی داده آموزشی نیاز دارد، اما می‌تواند مجموعه داده‌های بزرگ را با سرعت بالا و به طور دقیق و قوی پردازش کند.
یانگ در مرحله‌ی بعد قصد دارد این دستگاه را به اندازه‌ی تنها ۲ سانتی‌متر مربع، تقریباً به اندازه‌ی کلاه موش، کوچک کند و آن را بدون سیم بسازد تا تصویربرداری بلادرنگ از فعالیت مغز در موش‌های آزاد در حال حرکت را امکان‌پذیر سازد و درک ما از چگونگی هدایت رفتار توسط مغز را افزایش دهد.
