ইন্দ্রিয়তন্ত্র/দৃষ্টিতন্ত্র/ইন ভিভো ইমেজিং

ভ্রূণের কর্টেক্সে উচ্চ রেজোলিউশনের ক্যালসিয়াম ইমেজিং।

অ্যালেন ইনস্টিটিউটের বিগ ডেটা

মস্তিষ্কে প্রায় ১০০ বিলিয়ন নিউরন থাকে। মস্তিষ্কের জটিলতা অতুলনীয়। উদাহরণস্বরূপ, যখন পরিবর্তনশীল চিত্র নিষ্ক্রিয় ইঁদুরদের সামনে প্রদর্শিত হয়, তখন উত্তেজক নিউরন, প্রতিবন্ধক নিউরন, পূর্বাভাসিত চিত্র পরিবর্তনের সময় সক্রিয়তা বৃদ্ধি করা নিউরন, এবং পূর্বাভাসিত চিত্র পরিবর্তন না ঘটলে ধীরে ধীরে সক্রিয়তা বাড়াতে থাকা নিউরন দেখা যায়। এমন উচ্চমাত্রার তথ্য এনকোডিং পদ্ধতিগুলো আমাদের পূর্ণাঙ্গ দৃষ্টিগত উপলব্ধি গঠনের জন্য নিম্নস্তরে একত্রিত হতে হয়। তাই স্নায়ুবিজ্ঞানী সম্প্রদায়ের একটি মুখ্য লক্ষ্য হলো ‘বিগ ডেটা’ উৎপাদন করা। অত্যন্ত বড় পরিসরে সংবেদী প্রক্রিয়াকরণের ইন ভিভো ডেটা উৎপাদনে সফল হতে, অ্যালেন ইনস্টিটিউট ফর ব্রেন সায়েন্স গত এক দশক ধরে এমন কিছু স্বয়ংক্রিয় পাইপলাইন গড়ে তুলেছে, যা ডেটা সংগ্রহ ও বিশ্লেষণকে স্বয়ংক্রিয় করে। বর্তমানে অ্যালেন ইনস্টিটিউট ভিজ্যুয়াল কোডিং পাইপলাইন থেকে বিপুল পরিমাণে ডেটা প্রকাশ করেছে এবং বর্তমানে ভিজ্যুয়াল ব্যবহার পাইপলাইন নামক একটি নতুন পদ্ধতিতে ডেটা উৎপাদনের কাজ করছে।

অ্যালেন ইনস্টিটিউট হলো সংবেদন প্রক্রিয়াকরণের বিপুল পরিমাণ ডেটা উৎপাদনের জন্য সফল ইমেজিং কৌশল বাস্তবায়নের এক উজ্জ্বল দৃষ্টান্ত। তাদের পাইপলাইনের সাতটি ধাপ রয়েছে, যা প্রকৌশলী, অপটিক্যাল টেকনিশিয়ান এবং সার্জিক্যাল টেকনোলজিস্টদের একটি দল যৌথভাবে পরিচালনা করে। এই আন্তঃবিভাগীয় সমন্বয়ের মাধ্যমে এখন পর্যন্ত ১৯০০ ধরনের কোষের গঠন, জিন ক্রিয়াকলাপ, ইলেকট্রোফিজিওলজি, ক্যালসিয়াম ইমেজিং এবং টপোলজির ডেটা সংগৃহীত হয়েছে। সর্বাধুনিক ইমেজিং প্রযুক্তি ব্যবহারের মাধ্যমে দীর্ঘমেয়াদী এবং অত্যন্ত সংবেদনশীল রেকর্ডিং সম্ভব হয়েছে।

পরীক্ষামূলক সেটআপ

যেকোনো ইন ভিভো ইমেজিং প্রক্রিয়ায় উচ্চ রেজোলিউশন অর্জনের জন্য কিছু বিশেষ পদ্ধতি অনুসরণ করতে হয়। ইমেজিং শুরু করার আগে ইঁদুরের মাথায় একটি হেডফ্রেম স্থাপন করতে সার্জারি করতে হয়। সার্জারির সময় মাথার খুলি থেকে একটি ছোট অংশ সরিয়ে সেখানে কাঁচের জানালাযুক্ত হেডফ্রেম বসানো হয় (চিত্র ১)। হেডফ্রেমের দুটি উদ্দেশ্য থাকে: (১) ইমেজিংয়ের সময় ফ্লুরোসেন্স পরিবর্তন পর্যবেক্ষণের সুযোগ দেয় এবং (২) একটি হেড-প্লেটে সংযুক্ত হয়ে মাথাকে স্থির রেখে সর্বোচ্চ রেজোলিউশন নিশ্চিত করে। যেহেতু এটি ইঁদুরের মাথাকে সম্পূর্ণভাবে নির্দিষ্ট করে রাখে এবং মানসিক চাপের সম্ভাবনা বাড়ায়, তাই একটি ঘূর্ণায়মান ডিস্ক ইঁদুরের নিচে স্থাপন করা হয় যাতে তা দৌড়াতে পারে (চিত্র ২)। এই দৌড়ানোর কার্যক্রম রেকর্ড করা হয় এবং তা গবেষকদের জন্য বিশ্লেষণাত্মক ডেটা হিসেবে ব্যবহৃত হয়। অন্যান্য রেকর্ডকৃত ডেটার মধ্যে রয়েছে চোখের মণির প্রসারণ, শরীরের অবস্থান, দৌড়ানোর ডেটা, এবং চোখ ট্র্যাকিং – যার মাধ্যমে পরবর্তী বিশ্লেষণে চিত্র স্ক্রিনে একটি লাল ক্রস দ্বারা ইঁদুরের দৃষ্টির বিন্দু নির্দেশ করা হয়^[১]। পূর্ববর্তী পরীক্ষাগুলোতে দেখা গেছে, নতুন কোনো চিত্রের সম্মুখীন হলে মানুষের তুলনায় ইঁদুরের চোখের চলাচল অনেক কম হয়, কারণ তাদের ফোভিয়াল ভিশন ও পার্শ্বীয় দৃষ্টিশক্তি প্রায় সমান রেজোলিউশনসম্পন্ন।

ভিজ্যুয়াল কোডিং পাইপলাইন

অ্যালেন ব্রেইন অবজারভেটরির ভিজ্যুয়াল কোডিং পাইপলাইনের সাতটি ধাপ নিচে বর্ণনা করা হলো:

Cre ড্রাইভার × GCaMP6 রিপোর্টার: ট্রান্সজেনিক ইঁদুরদের জেনেটিকভাবে GCaMP6 নামক জেনেটিকালি এনকোডেড ক্যালসিয়াম ইন্ডিকেটর (GECI) এক্সপ্রেশন করার জন্য ডিজাইন করা হয়^[১]। জিন নির্বাচন ও ইনজেকশনের মাধ্যমে নির্দিষ্ট কোষ বা কার্যকরী এলাকায় GCaMP6 এক্সপ্রেশন নিশ্চিত করা হয়।

সার্জারি: ইঁদুরদের হেডফ্রেম ইমপ্লান্টেশনের জন্য সার্জারি করা হয়। হেডফ্রেমের স্থিতিশীলতা অনুপযুক্ত হলে দ্বিতীয় সার্জারির মাধ্যমে অতিরিক্ত মেটাবন্ড প্রয়োগ করা হয়।

ইনট্রিনসিক সিগনাল ইমেজিং (ISI): ISI হলো হেমোডায়নামিক প্রতিক্রিয়া মাপার একটি পদ্ধতি। এখানে কালো-সাদা চেকারবোর্ড আকৃতির ভিজ্যুয়াল স্টিমুলি চারটি দিক বরাবর প্রদর্শন করে কর্টিকাল এলাকাগুলোর কার্যকারিতা ও রেটিনোটোপিক সংগঠন ম্যাপ করা হয়। ফোরিয়ার টান্সফরম প্রয়োগ করে ফেজ ম্যাপ তৈরি করা হয়, যা পরবর্তী বিশ্লেষণে সহায়ক। ৩৫টি সাইন ম্যাপের সমন্বয়ে একটি সাধারণ মডেলের সঙ্গে নতুন ইঁদুরের মানচিত্র ফিট করানো হয়। ভাস্কুলার গঠনও স্থানীয়করণে সহায়তা করে।

অভ্যস্তকরণ: দশ দিনব্যাপী একটি প্রক্রিয়া যেখানে ইঁদুরকে বিভিন্ন চিত্র দেখিয়ে পরিবেশের সাথে অভ্যস্ত করানো হয় এবং মানসিক চাপ কমানো হয়।

ইন ভিভো টু-ফোটন ক্যালসিয়াম ইমেজিং: Nikon A[1]R MP+ টু-ফোটন মাইক্রোস্কোপ ও ৯১০ nm লেজার ব্যবহৃত হয়। ইমেজিং ডেটার পরে ডিকনভল্যুশন করা হয় কারণ ফ্লুরোসেন্স লিকেজ দেখা যায়। নিচের সমীকরণটি ব্যবহৃত হয়:

${\begin{array}{lcl}{\tilde {x}}&=&{\tilde {G}}{\tilde {y}}\ {\tilde {G}}&=&{\frac {1}{\tilde {H}}}({\frac {|{\tilde {H}}|^{2}}{|{\tilde {H}}|^{2}+\lambda \Lambda {\tilde {y}}}})\end{array}}$

${\begin{array}{lcl}H&=&{\text{লিকেজ ফিল্টার}}\ {\tilde {H}}&=&{\text{Fourier transform of H}}\ {\tilde {y}}&=&{\text{পিক্সেল সিরিজ * }}{\tilde {H}}{\text{ + শব্দ}}\ \lambda &=&{\text{সমতলতার ওজন}}\ \Lambda &=&{\text{Laplacian অপারেটর}}\end{array}}$

ROI ফিল্টারিং করে সক্রিয় কোষ ও ব্যাকগ্রাউন্ড আলাদা করা হয় এবং PMT-তে কেবল কোষ থেকে প্রাপ্ত ফ্লুরোসেন্স পাঠানো হয়।

ISI পুনরায় যাচাই: যাচাই করা হয় যে কর্টিকাল এলাকা আগের মতো CCF-এ কেন্দ্রীভূত রয়েছে।

সিরিয়াল টু-ফোটন টোমোগ্রাফি: টিস্যু ইমেজিংয়ের মাধ্যমে কর্টিকাল এলাকাগুলোর ৩D চিত্রায়ন।

ক্যালসিয়াম সূচক

ক্যালসিয়াম গতিশীলতা নিউরনে অ্যাকশন পটেনশিয়ালের সাথে নিবিড়ভাবে সম্পর্কিত। অ্যাকশন পটেনশিয়াল হলো দ্রুত ডিপোলারাইজেশন এবং পরবর্তী হাইপারপোরাজেশন ঘটনাবলীর ধারাবাহিকতা। ইলেকট্রিক সংকেত নিউরনের মধ্যে যেতে পারে না বলে নিউরোট্রান্সমিটার ও ক্যালসিয়াম আয়ন এই ব্যবধান পূরণ করে। অ্যাকশন পটেনশিয়ালে ক্যালসিয়াম চ্যানেল খুলে যায় এবং ক্যালসিয়াম প্রবেশ করে, যা নিউরোট্রান্সমিটার ভেসিকেলকে ঝিল্লির দিকে ঠেলে দেয় এবং সংকেত প্রেরণ করে^[২]।

ক্যালসিয়াম সূচক মূলত দুটি ধরণের: রাসায়নিক এবং জেনেটিকালি এনকোডেড ক্যালসিয়াম ইন্ডিকেটর (GECI)^[৩]। রাসায়নিক সূচকগুলো ইনজেকশনের মাধ্যমে নির্দিষ্ট নিউরনে ক্যালসিয়ামের সাথে যুক্ত হয় তবে এটি বারবার ইনজেকশন ও নির্দিষ্ট কোষ লক্ষ্যে সীমিত থাকে^[৪]। জেনেটিক সূচক GECI এ সীমাবদ্ধতা কাটিয়ে দীর্ঘমেয়াদি গবেষণায় সাহায্য করে। GECI-এর দুটি শ্রেণি হলো: ক্যামেলিয়ন এবং GFP ফ্লুরোফোর। ক্যামেলিয়ন ক্যালসিয়ামের সাথে বন্ধনের ফলে তরঙ্গদৈর্ঘ্য পরিবর্তন করে, আর GFP ফ্লুরোফোরে ক্যালসিয়াম-নির্ভর প্রোটিন GFP কোডে সংযুক্ত থাকে^[৫]। অ্যালেন ইন্সটিটিউট GCaMP6 ব্যবহার করে।

ইমেজিং মাইক্রোস্কোপি প্রযুক্তি

চিত্র ৬: ৯৪০–৯৫০ nm তরঙ্গদৈর্ঘ্যে জেনেটিকালি এনকোডেড ক্যালসিয়াম ইন্ডিকেটর GCaMP-এর ফ্লুরোসেন্স।

ইমেজিং প্রযুক্তি দুটি প্রধান ধারা: (১) ফ্লুরোসেন্স মাইক্রোস্কোপি ও (২) টু-ফোটন ক্যালসিয়াম ইমেজিং। ফ্লুরোসেন্স মাইক্রোস্কোপি আলো ছড়িয়ে পড়ার উপর নির্ভরশীল হওয়ায় গভীরতা ও নির্ভুলতা কম। টু-ফোটন ইমেজিং ১০০ মাইক্রনের বেশি গভীরতায় কার্যকর। এটি দুইটি আলোর কণা (ফোটন) একত্রিত হয়ে নির্দিষ্ট স্থানে ফ্লুরোসেন্স উদ্দীপিত করে, যা পিএমটি দ্বারা রেকর্ড করা হয় এবং ইমেজে পিক্সেল হিসেবে নির্ধারিত হয়।

ইমেজিং বনাম ইলেকট্রোফিজিওলজি

ইমেজিং একটি অপেক্ষাকৃত নতুন প্রযুক্তি এবং এটি x-y ও z গভীরতায় তথ্য দেয়। এর বিপরীতে ইলেকট্রোড ভিত্তিক ইলেকট্রোফিজিওলজি সাধারণত z-অক্ষভিত্তিক তথ্য দেয়। ইমেজিং প্রায়শই পরোক্ষ পরিমাপ (যেমন ক্যালসিয়াম ভিত্তিক) হলেও, এটি কোষ-নির্দিষ্ট ও দীর্ঘমেয়াদী পর্যবেক্ষণে কার্যকর।

চিত্রগ্রহণ বনাম ইলেকট্রোফিজিওলজি

চিত্রগ্রহণ রেকর্ডিং প্রায় সবসময়ই একটি পরোক্ষ পরিমাপ, যেমন ক্যালসিয়াম চিত্রগ্রহণে যখন ক্যালসিয়াম একটি নিউরনে প্রবেশ করে, তখন একটি সংশ্লিষ্ট ফ্লুরোসেন্স পরিবর্তনের মাধ্যমে নিউরনের কার্যকলাপ অনুধাবন করা হয়। একইভাবে, ভোল্টেজ সেন্সর ব্যবহার করে ভোল্টেজ-নির্ভর ফ্লুরোসেন্স পরিবর্তন পর্যবেক্ষণ করা হয়। এই প্রক্রিয়াগুলি সাধারণত সরাসরি ঝিল্লি সম্ভাবনা বা অ্যাকশন পটেনশিয়াল রেকর্ড করে না, বরং সেকেন্ডারি বা পরোক্ষ সূচক ব্যবহার করে। এর ফলে, এই তথ্য বিশ্লেষণ করার জন্য রূপান্তরের প্রয়োজন হয় (যেমন, ক্যালসিয়াম থেকে স্পাইক রূপান্তর ) এবং সাধারণত নিম্নতর টাইম রেজোলিউশন থাকে।

ইলেকট্রোফিজিওলজিক্যাল রেকর্ডিং সরাসরি বৈদ্যুতিক কার্যকলাপ পরিমাপ করে, যেমন অ্যাকশন পটেনশিয়াল এবং সাবথ্রেশোল্ড পোটেনশিয়াল, যা নিউরনের কার্যকলাপ বিশ্লেষণে আরও তাৎক্ষণিক ও নির্ভরযোগ্য তথ্য দেয়।

চিত্রগ্রহণের সীমাবদ্ধতা

চিত্রগ্রহণের প্রধান সীমাবদ্ধতাগুলোর মধ্যে রয়েছে:

টাইম রেজোলিউশন: অধিকাংশ চিত্রগ্রহণ প্রযুক্তি (বিশেষত ক্যালসিয়াম চিত্রগ্রহণ) সেকেন্ড বা শতাংশ সেকেন্ডে রেকর্ড করে, যা দ্রুত নিউরাল কার্যকলাপ সঠিকভাবে ধরতে পারে না।
দৃশ্যমানতা বা অ্যাক্সেস: আলো ব্যবহার করে কাজ করার কারণে গভীর টিস্যু বা অতিরিক্ত আলোর ছায়ায় থাকা অঞ্চলগুলো পর্যবেক্ষণ করা কঠিন।
প্রতিলিপিযোগ্যতা ও সংকেত-থেকে-শব্দ অনুপাত: ফ্লুরোসেন্ট সংকেত অনেক সময় দুর্বল বা পরিবর্তনশীল হয়, যার ফলে ডেটা বিশ্লেষণ কঠিন হতে পারে।
উত্তেজনা ও কোষের ক্ষতি: উচ্চ-তীব্রতার আলো কোষের ওপর প্রতিকূল প্রভাব ফেলতে পারে বা দীর্ঘমেয়াদে কোষ ধ্বংস করতে পারে।

ভিজ্যুয়াল বিহেভিয়ার পাইপলাইন

একটি কার্যকর ভিজ্যুয়াল বিহেভিয়ার (দৃষ্টিসম্পর্কিত আচরণ) বিশ্লেষণ পাইপলাইন সাধারণত নিচের ধাপগুলো নিয়ে গঠিত:

উদ্দীপনা প্রয়োগ: সাধারণত স্ক্রিন বা প্রজেক্টরের মাধ্যমে নিয়ন্ত্রিত ভিজ্যুয়াল উদ্দীপনা দেখানো হয়।
চিত্রগ্রহণ বা ইলেকট্রোফিজিওলজিক্যাল রেকর্ডিং: রেটিনাল বা ব্রেন নিউরনের কার্যকলাপ পরিমাপ করা হয়।
চোখের গতি ও আচরণ বিশ্লেষণ: ট্র্যাকিং সিস্টেম দিয়ে চোখের গতি, মাথার গতি বা আচরণগত প্রতিক্রিয়া রেকর্ড করা হয়।
ডেটা প্রি-প্রসেসিং: ধোঁয়াশা দূর করা, গতি সংশোধন, পটভূমি সংশোধন, সিগন্যাল ফিল্টারিং ইত্যাদি প্রক্রিয়া।
সেল সেগমেন্টেশন ও সিগন্যাল এক্সট্রাকশন: চিত্রগ্রহণ ভিডিও থেকে পৃথক কোষ শনাক্ত করে তাদের ফ্লুরোসেন্স সিগন্যাল আলাদা করা হয়।
স্পাইক ইনফারেন্স (যদি প্রয়োজন হয়): ক্যালসিয়াম সিগনাল থেকে নিউরাল স্পাইক অনুমান করা হয়।
স্টিমুলাস রেসপন্স অ্যানালাইসিস: প্রদত্ত উদ্দীপনার প্রতি নিউরনের সাড়া বিশ্লেষণ করে রিসেপ্টিভ ফিল্ড নির্ধারণ, সংবেদনশীলতা পরিমাপ ইত্যাদি করা হয়।
জনসংখ্যাগত বিশ্লেষণ: একাধিক নিউরনের সম্মিলিত কার্যকলাপ বিশ্লেষণ করা হয়—যেমন PCA, ক্লাস্টারিং, টিউনিং কার্ভ বিশ্লেষণ।
মডেলিং: নিউরাল কার্যকলাপের পূর্বাভাস দেওয়ার জন্য গাণিতিক বা কম্পিউটেশনাল মডেল তৈরি করা হয় (যেমন GLM বা DECODE মডেল)।

এই পুরো প্রক্রিয়াটি অত্যন্ত সংবেদনশীল এবং সুনির্দিষ্ট। প্রতিটি ধাপে যথাযথ নিয়ন্ত্রণ ও যাচাই প্রক্রিয়া থাকা আবশ্যক যাতে প্রাপ্ত ফলাফল বিশ্বাসযোগ্য ও পুনরুৎপাদনযোগ্য হয়।

তথ্যসূত্র

↑ ^১.০ ^১.১ Allen Brain Observatory. (2017). Visual Coding Overview. https://commons.wikimedia.org/wiki/Commons:Email_templates
↑ Südhof, T. C. (2012). Calcium Control of Neurotransmitter Release. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 4(1): a011353.
↑ Hasan MT, Friedrich RW, Euler T, Larkum ME, Giese G, Both M, et al. (2004) Functional Fluorescent Ca2+ Indicator Proteins in Transgenic Mice under TET Control. PLoS Biol, 2(6): e163.
↑ Feng et al. (2012). Imaging Neural Activity Using Thy1-GCaMP Transgenic Mice. Neuron, 76(2): 297-308.
↑ Hausser, M., Scanziani, M. (2009). Electrophysiology in the age of light. Nature. 461(7266): 930-9.

[:0-1] ১.০ ^১.১ Allen Brain Observatory. (2017). Visual Coding Overview. https://commons.wikimedia.org/wiki/Commons:Email_templates

[2] Südhof, T. C. (2012). Calcium Control of Neurotransmitter Release. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 4(1): a011353.

[3] Hasan MT, Friedrich RW, Euler T, Larkum ME, Giese G, Both M, et al. (2004) Functional Fluorescent Ca2+ Indicator Proteins in Transgenic Mice under TET Control. PLoS Biol, 2(6): e163.

[4] Feng et al. (2012). Imaging Neural Activity Using Thy1-GCaMP Transgenic Mice. Neuron, 76(2): 297-308.

[:1-5] Hausser, M., Scanziani, M. (2009). Electrophysiology in the age of light. Nature. 461(7266): 930-9.

[১]

[২]

[৩]

[৪]

[৫]