ساخت حسگر سروتونین با استفاده از هوش مصنوعی

در مقاله‌ای در سل، محققان تأمین بودجه مؤسسات ملی بهداشت توضیح دادند که چگونه آن‌ها از تکنیک‌های پیشرفته مهندسی ژنتیک برای تبدیل یک پروتئین باکتریایی به یک ابزار تحقیقاتی جدید استفاده کرده‌اند که ممکن است به نظارت بهتر انتقال سروتونین نسبت به روش‌های فعلی کمک کند.

آزمایشات پیش بالینی و در درجه اول روی موش‌ها نشان داد که این حسگر می‌تواند تغییرات ظریف و آنی سطح سروتونین مغز را در هنگام خواب، ترس و تعاملات اجتماعی تشخیص دهد و همچنین اثربخشی داروهای روان‌گردان جدید را آزمایش کند.

هدف از انجام این آزمایش، ایجاد انقلابی در درک ما از مغز در شرایط سالم و بیماری است

بودجه این مطالعه، تا حدی توسط تحقیقات مغز مؤسسات ملی بهداشت از طریق پیشرفت فناوری‌های عصبی نوآور (BRAIN) انجام شد که هدف آن ایجاد انقلابی در درک ما از مغز در شرایط سالم و بیماری است.

این مطالعه توسط محققان آزمایشگاه متعلق به لین تیان، دکترای تحقیقات در دانشکده پزشکی دانشگاه کالیفرنیا دیویس انجام شد. روش‌های فعلی فقط می‌توانند تغییرات گسترده در سیگنالینگ سروتونین را تشخیص دهند. در این مطالعه، محققان یک پروتئین باکتریایی بسیار کوچک ونوس جذب‌کننده مواد مغذی را به یک حسگر بسیار حساس تبدیل کردند که با گرفتن سروتونین به‌صورت فلورسنت روشن می‌شود.

پیش از این، دانشمندان در آزمایشگاه Loren L. Looger در پردیس تحقیقاتی جانلیا موسسه پزشکی هوارد هیوز اشبرن در ویرجینیا، از روش‌های مهندسی ژنتیک سنتی برای تبدیل یک پروتئین باکتری به حسگر انتقال‌دهنده عصبی استیل کولین استفاده کردند.

پروتئینی که OpuBC نامیده می‌شود، به‌طور معمول ماده مغذی کولین را که شکل مشابه استیل کولین دارد، به دام می‌اندازد. برای این مطالعه، آزمایشگاه تیان با تیم دکتر لوگر و آزمایشگاه ویویانا گرادینارو کالتک پاسادنا در کالیفرنیا همکاری کرد تا نشان دهد که آن‌ها برای طراحی مجدد کامل OpuBC به‌عنوان یک گیرنده سروتونین مناسب هستند.

محققان از الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای کمک به رایانه استفاده کردند تا بتوانند از «ایده‌هایی» راجع به ۲۵۰۰۰۰ طرح جدید استفاده کنند. پس از سه دور آزمایش اولیه، دانشمندان به انجام آزمایش اصلی پرداختند. آزمایشات اولیه نشان می‌دهد که حسگر جدید در حالی که واکنش کمی نسبت به سایر انتقال‌دهنده‌های عصبی یا داروهای مشابه دارد، سروتونین را در سطوح مختلف در مغز به‌صورت قابل‌ اعتماد تشخیص می‌دهد.

این حسگر می‌تواند به‌طور مؤثری تغییرات در سیگنال‌های ناشی از مواد مخدر را نشان دهد

آزمایش‌های انجام‌شده در برش‌های مغز موش نشان داد که این حسگر به سیگنال‌های سروتونین ارسال‌شده بین نورون‌ها در نقاط ارتباطات سیناپسی پاسخ می‌دهد. در همین حال، آزمایشات روی سلول‌های ظروف پتری حاکی از آن بود که این حسگر می‌تواند به‌طور مؤثری تغییرات در سیگنال‌های ناشی از مواد مخدر، از جمله کوکائین، MDMA (اکستازی) و چندین داروی ضدافسردگی که معمولاً استفاده می‌شوند را کنترل کند.

سرانجام، آزمایشات روی موش‌ها نشان داد که این حسگر می‌تواند به دانشمندان در مطالعه انتقال عصبی سروتونین در شرایط طبیعی‌تر کمک کند. به‌عنوان مثال، محققان شاهد افزایش میزان سروتونین در هنگام بیدار بودن موش کاهش آن در هنگام به خواب رفتن موش بودند.

سطح سروتونین موش‌ها وقتی که خواب آن‌ها عمیق‌تر شد، افت بیشتری پیدا کرد. حالت‌های سنتی کنترل سروتونین هنگام خواب این تغییرات را ثبت نمی‌کردند. علاوه بر این، دانشمندان مشاهده کردند هنگامی که سطح هوشیاری موش‌ها به دلیل ضربه زنگ افزایش یافت، میزان سروتونین در دو مدار جداگانه مخصوص ترس در مغز افزایش یافته است.

صدای زنگ باعث افزایش سریع و زیاد سروتونین در مدار مشخصی در مغز در قسمت جلوی پیشانی داخلی شده است در حالی که در یک مدار دیگر (آمیگدال بازالتر) فرستنده تا سطح کمی پایین‌تر می‌رود.

بر اساس گفته‌های BRAIN، محققان قصد دارند این حسگر را به‌راحتی در دسترس سایر دانشمندان قرار دهند. آن‌ها امیدوارند که این حسگر به محققان دیگر کمک کند تا درک بهتری از نقش حیاتی سروتونین در زندگی روزمره و بسیاری از شرایط روانی داشته باشند.