Uch mamlakat olimi olmosdagi azot bilan almashtirilgan vakansiyaga asoslangan, kvant sensori yordamida, mikro miqyosda sichqon miyasining neyron faolligini noinvaziv usulda oʻlchadi. Sensor miyaning aksonlaridan ionli oqimlar oʻtganda yuzaga keladigan, oʻta zaif magnit maydonlarni, shuningdek, neyrodegenerativ kasalliklarda yuzaga keladigan, neyron faolligidagi zaif oʻzgarishlarni payqay oladi. “Ushbu usul toʻqimalar bilan fizik oʻzaro taʼsirni talab qilmaydi va magnitoensefalografiyadan farqli oʻlaroq, past harorat yoki yuqori atom gazlari zichligi boʻlishi kabi oʻziga xos sharoitlarni talab qilmaydi”, — deb yozadi olimlar arXiv.org saytidagi maqolada.

Miya faoliyatini individual neyronlar darajasida oʻrganish nafaqat ilmiy, balki tibbiy nuqtayi nazardan ham olimlarni qiziqtirib keladi. Gap shundaki, Alsgeymer yoki skleroz kabi neyrodegenerativ kasalliklarda organizmdagi oʻzgarishlar dardning birinchi alomatlari paydo boʻlishidan ancha oldin, xususan, miyada harakat imkoniyatlari buzilishida namoyon boʻladi. Miyadagi bunday ogʻishlarni mikro miqyosda oʻrganish olimlarga nafaqat kasallik paydo boʻlishining mexanizmlarini tushunishga yordam beradi, balki uning dastlabki bosqichlarida davolash usullarini ishlab chiqishga imkon yaratadi.

Bugungi kunda neyrodegenerativ kasalliklarning dastlabki koʻrinishlari kasal odamning miyasida yuzaga keladigan o‘zgarishga oʻxshash transgen sichqonlar miyasida oʻrganilmoqda. Bunday hollarda olimlar tomonidan qoʻllaniladigan usullar jonzotning miya toʻqimalariga elektrodlar joylashtirishni yoki toksik kuchlanishga sezgir boʻlgan boʻyoqlar bilan birga, lazer nurlanishini qoʻllashni talab qiladi. Tadqiqot obyekti bilan bunday qoʻpol munosabat natijaning aniqligiga taʼsir qilishi va In vivo texnologiyalarini qoʻllashni xavfli ostida qoldirishi mumkin.

Toʻqimalar bilan bevosita taʼsirga kirishmaydigan noinvaziv tadqiqot usullari bunday muammolarning oldini olishga yordam berishi mumkin, ammo bugungi kunda ularning alohida neyronlarni kuzatish miqyosi yetarlicha katta emas. Oʻlchamlari 0,5 santimetrgacha boʻlgan neyron faolligining eng batafsil tasvirlari aksonlardan ion oqimlari oʻtganda, Maksvell tenglamalariga koʻra paydo boʻladigan, juda zaif magnit maydonlarni oʻlchaydigan magnitoensefalografiya (MEG) yordamida aniqlanadi. Usulning aniqligiga toʻsqinlik qiluvchi asosiy omil, detektorlarning toʻqimalarga yaqinlasha olmasligi hisoblanadi. Bunga sabab esa SKVID magnitometrlaridagi MEGʼga kerak boʻladigan juda past harorat va MEGʼning SURF magnitometrlarida boʻlgan paytdagi atom gazining yuqori zichligidir. 

SKVID va SURFʼlarga eng muqobil olmosdagi (NV markazlar) kristall nuqsonlar — boʻshliqlarni azot bilan toʻldirishga asoslangan, kvant magnitometrlari boʻlishi mumkin, yaʼni bitta uglerod atomi olib tashlangan (boʻsh) joy azot atomi bilan toʻldiriladi. Magnitometrlarni yaratish uchun boʻshliqda ikkita juftlashmagan elektronlar joylashgan, manfiy zaryadlangan NV markazlari mos keladi. Bunday tizim asosiy, qoʻzgʻalgan va ikkita oraliq holatda joylashgan boʻlishi mumkin.

Asosiy va qoʻzgʻaluvchan holatlarda tizimning energiyasi uchta qiymatdan birini qabul qiladi. Ikkinchi vaziyat, elektron spinlarining turli yoʻnalishlarga qaratilganlik holati (juftlikning umumiy spini S=0) ularning ikkalasini ham yuqoriga yoki pastga qaratilganlik holatidan (S=+1, S=–1 holatlarining orasida, mos ravishda kichik boʻshliq mavjud boʻladi) energetik nuqtayi nazardan qulayroq ekani bilan izohlanadi. Elektronlarning holati magnit maydon tomon qaratilganligi yoki unga teskariligi (Zeeman effekti) muhim ahamiyat kasb etishi jihatidan, tashqi magnit maydonda qiymati S=±1ʼga teng boʻlgan darajalar ham farqlanadi. Bunda farqning kattaligi tashqi magnit maydon kuchiga bevosita bogʻliq.

Agar magnit maydondagi NV markazi yashil lazer bilan nurlantirilsa, u kvant yorugʻligini yutadi va qoʻzgʻalgan holatga oʻtadi, keyin qiymati S=0 boʻlgan asosiy holatga aylanadi. Bunda markaz qiymati S=0 boʻlgan boshlangʻich holatida qizil yorugʻlik kvantini chiqaradi yoki baʼzi bir ehtimollik bilan S=±1 qiymatda, nursiz ravishda boʻshashadi. Dastlabki ikki daraja orasidagi masofaga mos keladigan chastotada, mikrotoʻlqinli nurlanishning qoʻshimcha ravishda qoʻllanish spini S=0ʼga teng boʻlgan holatlarni S=–1ʼga oʻtkazadi va shu bilan nursiz oʻtish chastotasini oshiradi. Shu tariqa mikrotoʻlqinli nurlanish chastotasini oʻzgartirish va NV markazi nurlanishining intensivligi qanday oʻzgarayotganini kuzatish orqali olimlar Zeeman boʻlinishi va natijada tashqi magnit maydoni qiymatini aniqlashi mumkin.

2016-yildayoq olimlar NV markazlarida kalmar va qurtlarning yakka neyronlari magnit maydonini oʻlchash uchun sensordan foydalangan, hozirda esa Daniya texnika universiteti xodimi Jeyms Lyuk Uebb boshchiligidagi uch mamlakat fizik va neyrobiologlari birinchi marta tirik sichqon miyasidagi serqadoq tana (sutemizuvchilar miyasidagi oʻng va chap yarimsharlarini bogʻlaydigan nerv tolalari toʻqimasi) faolligini oʻlchadi. Buning uchun tadqiqot davomida toʻqimalar tirik qolishi kerakligini hisobga olib, miya kesmasi 25 daraja Selsiy haroratdagi orqa miya suyuqligining sunʼiy eritmasi solingan idishga joylashtirildi. Yuzlab NV markazlari boʻlgan, ikkiga ikki millimetr oʻlchamdagi kristall idishning pastki qismiga joylashtirildi. Alyuminiy folga qatlami va qalinligi 66 mikrometr boʻlgan izolyator namunani ajratib turadi. Olimlar bipolyar stimulyator elektrod yordamida neyron faolligini o‘lchashni boshladi, u miya to‘qimalariga o‘lchov zonasidan ikki millimetr uzoqlikda kiritilgan.

Dastlab ion oqimlarining aksonlardan oʻtishi paytida yuzaga keladigan magnit maydon oʻlchandi va uni oʻrganilayotgan markazga kiritilgan elektrodlar yordamida qayd etilgan elektr maydonining potensiali bilan solishtirildi. Natijada magnit maydon va elektr maydon potensiali qayd etilgan grafiklarda olimlar miyelinlangan (harakat uzluksiz tarqaladi) va miyelinlanmagan (harakat tartibsiz ravishda tarqaladi) aksonlardan oqim oʻtishi uchun javobgar boʻlgan, ikkita xarakterli choʻqqilarni qayd etdi. Barcha uchta sichqonlarning miya kesmalari uchun magnit maydon choʻqqilarining amplitudasi elektr maydon salohiyati choʻqqilarining amplitudasi bilan toʻgʻri proportsional boʻlib chiqdi. Ragʻbatlantiruvchi impulsga nisbatan eng katta kechikish qiymati ikkala usulda ham bir xil edi.

Keyin kvant sensorining asab faoliyatdagi ogʻishlarga nisbatan sezgirligini tekshirish uchun tadqiqotchilar natriy ion kanallarini tetrodotoksin bilan toʻsib qoʻyish orqali miyadagi aksonal oqimlarni sunʼiy ravishda toʻxtatdi. Olimlar tajriba davomida miya suyuqligi eritmasida zahar miqdorini asta-sekin oshirib borish asnosida miya faoliyati toʻliq toʻxtagunga qadar magnit maydon va elektr potensialni oʻlchab bordi. Natijada magnit va elektr maydonlarining harakati shuni koʻrsatdiki, maksimal miyelinlangan aksonlar mos ravishdagi zahar miqdori ortib borishi bilan miyelinlanmagan aksonlarning maksimaliga qaraganda tezroq soʻngan, bunga sabab miyelinlanmagan aksonlarda tetrodotoksinga sezgir boʻlmagan natriy kanallari mavjud boʻlgan. Shuningdek, miyelinlanmagan aksonlarda natriy kanallarining toʻsib qoʻyilishi choʻqqiga erishishning kechikishi bilan namoyon boʻldi.

Mualliflarning taʼkidlashicha, kristalldagi NV markazlari zichligini oshirish mikrozondlash va kuchlanishga sezgir boʻyoqlar samaradorligidan ancha yuqori boʻlgan yechimga ega texnologiyani yaratishga olib kelishi mumkin.

Miya faoliyatini oʻrganishning mavjud usullari nomukammal boʻlsa-da, olimlar baʼzida ulardan har birining kuchli tomonlarini qoʻllash uchun birgalikda foydalanadi. Xususan, amerikalik olimlar miyaning musiqaga javob beradigan sohasini aniqlash uchun funksional MRT (miya faoliyatini gemoglobin miqdoriga koʻra aniqlash)dan foydalangan, soʻngra elektrokortikografiya (elektrodlar) yordamida sohani batafsil oʻrganib chiqib, boshqa tovushlarga emas, faqatgina qoʻshiq sadosiga javob beradigan neyronlarni aniqladi.

Muallif: Yelizaveta Chistyakova. Ushbu maqola nplus1.ru saytidagi “Алмаз помог измерить нейронную активность мозга на микромасштабе” nomli maqolaning tarjimasi.
Muqova surat: unsplash.com