ইন্দ্রিয়তন্ত্র/স্নায়ুসংবেদী ইমপ্লান্ট/ভবিষ্যতের দিকনির্দেশনা/অপটোজেনেটিক্স
নিউরনের ফটোস্টিমুলেশন
[সম্পাদনা]নিউরনের ফটোস্টিমুলেশন একটি উদীয়মান গবেষণার ক্ষেত্র। নার্ভ কোষের উপর একটি কেন্দ্রীভূত আলোর উৎস ঝলকানো হয়, যার ফলে কোষটি ডিপোলারাইজ হয় এবং নিউরনের কার্যক্রম শুরু হয়। এই লক্ষ্য অর্জনের দুটি প্রধান উপায় আছে: লেজার দ্বারা নিউরনে তীব্র রশ্মি প্রয়োগ করে স্থানীয় তাপমাত্রার পার্থক্য তৈরি করা; এবং নার্ভ কোষের মধ্যে আলো সংবেদনশীল চ্যানেল বা রিসেপ্টর প্রবর্তন করা, যা কোষটিকে আলোতে সংবেদনশীল করে তোলে, যেমন মানুষের রেটিনায় রড এবং কন শ্লেষ্মা। প্রচলিত বৈদ্যুতিক উদ্দীপনার তুলনায় ফটোস্টিমুলেশনের সুবিধা হল নির্ভুলতা বৃদ্ধি পাওয়া এবং টিস্যুর ক্ষতি খুব কম বা একেবারেই না থাকা।[১]
বৈদ্যুতিক বনাম অপটিক উদ্দীপনা
[সম্পাদনা]বৈদ্যুতিক উদ্দীপনায় কিছু সীমাবদ্ধতা থাকে, যা অপটিক উদ্দীপনায় থাকে না। নির্ভরযোগ্য নিউরন ফায়ারিং ঘটাতে ইলেক্ট্রোডগুলোকে টার্গেট টিস্যুর সাথে শারীরিক সংস্পর্শে বা খুব কাছাকাছি থাকতে হয়। নার্ভ টিস্যুর মধ্যে ইলেক্ট্রোড প্রবেশ করানো হলে তা টিস্যুর ক্ষতি করে।
অনেক ক্ষেত্রেই ইলেক্ট্রোড অ্যারে এমন টিস্যুর মধ্যে প্রবেশ করানো হয় যা বৈদ্যুতিকভাবে পরিবাহী, ফলে কারেন্ট ছড়িয়ে পড়ে এবং স্থানীয় নির্ভুলতা হ্রাস পায়।
উদ্দীপিত নিউরনের কার্যকলাপ পরিমাপের সময় স্টিমুলেশন আর্টিফ্যাক্ট থাকে, যা অনেক বড় এবং পরিমাপকৃত কার্যকলাপকে দুর্বল করে। বিশেষত উত্তেজনার কাছাকাছি পরিমাপের ক্ষেত্রে এই সমস্যা বেশি।
অপর দিকে, অপটিক উদ্দীপনা একক কোষ বা ছোট কোষ গোষ্ঠীর নির্ভরযোগ্য উদ্দীপনা ঘটাতে সক্ষম। এতে টার্গেট টিস্যুর সাথে সরাসরি যোগাযোগের প্রয়োজন পড়ে না, ফলে টিস্যুর ক্ষতি কমে। এছাড়াও, উত্তেজনা উৎসের কাছে নিউরাল রেসপন্সের বৈদ্যুতিক রেকর্ডিং আর্টিফ্যাক্ট দ্বারা দূষিত হয় না।[১] [২] [৩] যদিও বৈদ্যুতিক উদ্দীপনা উপরোক্ত সীমাবদ্ধতাগুলো আছে, তবুও এটি রোগীদের নার্ভ উদ্দীপনার জন্য সবচেয়ে প্রতিষ্ঠিত এবং নির্ভরযোগ্য পদ্ধতি।
ইনফ্রারেড উদ্দীপনা
[সম্পাদনা]ইনফ্রারেড উদ্দীপনা একটি ইনফ্রারেড লেজার দ্বারা নিউরনের অভ্যন্তরে স্থানীয় তাপমাত্রার পার্থক্য সৃষ্টি করে। উদ্দীপনার আগে কোষের কোনো পরিবর্তনের প্রয়োজন হয় না। কম শক্তির লেজার টিস্যুকে ক্ষতিগ্রস্ত করে না এবং আর্টিফ্যাক্ট মুক্ত উদ্দীপনা ঘটায়। নিউরন সক্রিয় হওয়ার সঠিক প্রক্রিয়া অজানা, তবে গবেষণায় দেখা গেছে এটি সম্ভবত স্থানীয় ফটোথার্মাল প্রক্রিয়ার কারণে ঘটে। ইনফ্রারেড রশ্মি একটি সীমিত স্থানে তাপমাত্রার পার্থক্য সৃষ্টি করে যা রশ্মি বন্ধ হলে দ্রুত লোপ পায়। তাপমাত্রা বৃদ্ধি সর্বোচ্চ ৯ ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত হতে পারে, যা অণুগুলোর কাঠামোগত পরিবর্তন ঘটিয়ে নিউরন ফায়ারিং ঘটায়। উচ্চ রশ্মি ফ্রিকোয়েন্সিতে তাপ জমে কোষকে ধীরে ধীরে উত্তপ্ত করে এবং শেষ পর্যন্ত ক্ষতি করে।[২][৩]
অপ্টোজেনেটিক্স
[সম্পাদনা]অপ্টোজেনেটিক্স হলো কোষকে আলোতে সংবেদনশীল করে তোলার পদ্ধতি, যেখানে বিদেশী জিন প্রবর্তন করে নিউরনের ফায়ারিং প্যাটার্নকে উচ্চ স্থানিক ও সময়িক রেজল্যুশনে নিয়ন্ত্রণ করা যায়। এই জিনগুলো জেনেটিকভাবে প্রাণীতে প্রকাশ করা যায় বা ভাইরাসের মতো ভেক্টরের মাধ্যমে প্রবেশ করানো যায়। আজকের দিনের আলো সংবেদনশীল জিনগুলো প্রথমে এককোষী জীব যেমন শৈবাল বা আর্কিয়া থেকে আবিষ্কৃত। এই জিনগুলো আলোর উত্তেজনায় বিভিন্ন ধরণের জৈবিক প্রতিক্রিয়া সৃষ্টিকারী আলো সংবেদনশীল আয়ন চ্যানেল বা রিসেপ্টর কোড করে।
নিউরনের সক্রিয়করণের জন্য সাধারণত প্রাকৃতিক চ্যানেলরোডোপসিন (ChR) বা এর ইঞ্জিনিয়ার্ড ভ্যারিয়েন্ট ব্যবহার করা হয়। ChR হল আলো সংবেদনশীল নন-স্পেসিফিক ক্যাটায়ন চ্যানেল, যা নীল আলো (৪৮০ ন্যানোমিটার) দ্বারা খোলে। নার্ভ কোষে ChR খোলা হলে সোডিয়াম আয়ন প্রবাহিত হয় এবং মেমব্রেন ডিপোলারাইজ হয়।[৪] [৫] আলো সংবেদনশীল অংশ হল অল-ট্রান্স-রেটিনাল, যা মানুষের রেটিনাতেও থাকে। আলো ১৩-সিস-রেটিনালে রূপান্তর ঘটায়, যার ফলে ক্যাটায়ন প্রবাহ সম্ভব হয়।[৪][৫][৬][৭] রেটিনাল বাইনডিং সাইটের কাছে নির্দিষ্ট পয়েন্ট মিউটেশন চ্যানেলের গতি ও স্পেসিফিসিটি পরিবর্তন করতে পারে।[৮] ChR-কে অন্যান্য প্রোটিনের সাথে যুক্ত করে vivo পর্যবেক্ষণের জন্য বিভিন্ন কার্যকরী টুল তৈরি করা হয়েছে।[৯]
হ্যালোরোডোপসিন (HR) হল আলো দ্বারা নিয়ন্ত্রিত ক্লোরাইড আয়ন পাম্প, যা আলো দ্বারা উদ্দীপিত হলে কোষের ভিতরে ক্লোরাইড আয়ন প্রবাহিত করে এবং নিউরনকে অবরুদ্ধ করে। হলুদ আলো (৫৭০ ন্যানোমিটার) HR-কে সক্রিয় করে ক্লোরাইড প্রবাহ ঘটায় এবং হাইপারপোলারাইজেশন সৃষ্টি করে।[১০][১১] ChR-এর মত, HR-তেও আলো সংবেদনশীল অংশ অল-ট্রান্স-রেটিনাল। রেটিনালের বিভিন্ন স্থিতিশীলতার কারণে HR ও ChR আলাদা আলাদা তরঙ্গদৈর্ঘ্যে সংবেদনশীল, ফলে একই কোষে পৃথকভাবে টার্গেট করা যায়। এটি নিউরাল সার্কিটের কার্যক্রম নিয়ন্ত্রণে অত্যন্ত সহায়ক।[১১][১২]
কোষের সিগন্যালিং পথ নিয়ন্ত্রণের জন্য Opto-XR প্রোটিন তৈরি হয়েছে,[১৩] যেখানে X মানে টার্গেট সিগন্যালিং পথ। Opto-XR গঠন প্রাণীর রোডোপসিন (গরু, ইঁদুর ইত্যাদি) এবং এর অন্তঃকোষীয় ডোমেনগুলো টার্গেট সিগন্যালিং সিকোয়েন্স দ্বারা প্রতিস্থাপিত।[১৪]
আলো পড়লে রোডোপসিনের কনফরমেশনাল পরিবর্তন সিগন্যালিং পথ সক্রিয় বা নিষ্ক্রিয় করে। এর ফলে সেরোটোনিন বা অ্যাড্রেনার্জিক সিগন্যালিংয়ের মত নির্দিষ্ট রিসেপ্টর পথ নিয়ন্ত্রণ সম্ভব হয়।[১৩][১৫]
নিউরো-প্রোস্থেটিকে অপটিক উদ্দীপনা
[সম্পাদনা]নিউরোনাল প্রোস্থেটিকে স্নায়ুর উদ্দীপনা জাগানোর জন্য দীর্ঘদিন ধরে বৈদ্যুতিক উদ্দীপনা ব্যবহার করা হয়ে আসছে। তবে বৈদ্যুতিক স্রোতের বিস্তার এবং বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র সৃষ্টির ফলে যে স্থানিক রেজোলিউশন অর্জিত হয়, তা সীমিত হয়ে পড়ে। এর ফলে প্রেরিত সংকেতের নির্ভুলতা বা গুণমানও হ্রাস পায়।[১৬] শ্রবণ প্রোস্থেটিকের ক্ষেত্রে প্রায় বিশটির মতো ইলেকট্রোড ব্যবহার করা সম্ভব, যার ফলে প্রাপ্ত শব্দের গুণমান কাঙ্ক্ষিত লক্ষ্যের চেয়ে অনেক কম থাকে। অপটিকভিত্তিক প্রযুক্তিতে রূপান্তরের মাধ্যমে আরও ছোট এলাকা সক্রিয় করা সম্ভব হতে পারে, যা ধারণযোগ্য স্বরের পরিমাণ বৃদ্ধি করতে পারে। অপটিক উদ্দীপনা প্রযুক্তিতে সাম্প্রতিক অগ্রগতি এই বাধাগুলো অতিক্রম করার এবং প্রোস্থেটিক ডিভাইস ও রোগীদের জীবনের মান উন্নয়নের নতুন সম্ভাবনা তৈরি করেছে।
কক্লিয়ার ইমপ্লান্ট
[সম্পাদনা]কক্লিয়া এবং শ্রবণ স্নায়ুর ইনফ্রারেড উদ্দীপনা ইঁদুর ও বিড়ালের মতো বিভিন্ন প্রাণীর মডেলে পরীক্ষা করা হয়েছে। অপটিক পদ্ধতিটি যে অঞ্চলে লেজার প্রয়োগ করে তাকে উদ্দীপ্ত করে, সেই অঞ্চলটি প্রায় একই আকারের যেটি মাঝারি শব্দমাত্রার দ্বারা সক্রিয় হয়। এটি প্রমাণিত হয়েছে যে, নিম্ন শক্তির IR বিকিরণ ব্যবহার করে টিস্যুকে ক্রমান্বয়ে উত্তপ্ত বা ক্ষতিগ্রস্ত না করেও ধারাবাহিক উদ্দীপনা প্রদান সম্ভব। এর ফলে, কক্লিয়ার সিস্টেমে ক্ষতি না করেই সারাদিন ইমপ্লান্ট ব্যবহারের সুযোগ তৈরি হয়। তবে IR উদ্দীপনার একটি বড় সীমাবদ্ধতা হলো, এটি বৈদ্যুতিক উদ্দীপনার তুলনায় অনেক বেশি শক্তি খরচ করে।[২]
এই শক্তি সমস্যার সমাধানে গবেষকরা ইঁদুরে অপটোজেনেটিক পদ্ধতির পরীক্ষা শুরু করেছেন। তাঁরা মেরুদণ্ডীয় গ্যাংলিয়ন নিউরনে চ্যানেলরোডোপসিন প্রকাশের জন্য ইঁদুরকে জেনেটিকভাবে প্রকৌশলীকরণ করেন। এই স্নায়ুকোষগুলোর সংবেদনশীলতা বৃদ্ধি করার ফলে, IR বিকিরণের তুলনায় সাতগুণ কম শক্তিতে উদ্দীপনা ঘটানো সম্ভব হয়েছে (IR: ১৫ μJ, অপটোজেনেটিক: ২ μJ, বৈদ্যুতিক: ০.২ μJ)। ফলে লেজারের পরিবর্তে μLED ব্যবহার করেই উদ্দীপনা সম্ভব হয়। যদিও এতে উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি হয়েছে, মানুষের শরীরে এই প্রযুক্তির নিকট ভবিষ্যতে প্রয়োগ এখনো প্রশ্নসাপেক্ষ। এর প্রধান কারণ হলো, ভাইরাসের মাধ্যমে জিনগত উপাদান প্রবেশ করানো স্বাস্থ্যগত দিক থেকে বিপজ্জনক হতে পারে। এখন পর্যন্ত মাত্র কয়েকটি জিন থেরাপি অনুমোদিত হয়েছে। কক্লিয়ার অঙ্গগুলোতে নির্দিষ্টভাবে সংক্রমণ ঘটাতে পারে এমন একটি নিরাপদ অথচ কার্যকর উপায় বাস্তবায়ন ও অনুমোদন করতে হবে।[১৭]
মানবদেহে ব্যবহারের জন্য সম্ভাব্য অপটিক্যাল কক্লিয়ার ইমপ্লান্টের প্রথম পেটেন্ট ইতোমধ্যে নথিভুক্ত হয়েছে। এই ইমপ্লান্টগুলো প্রচলিত বৈদ্যুতিক ইমপ্লান্টের মতোই কাজ করে। তবে এতে ইলেকট্রোডের পরিবর্তে VCSEL থাকে, যা ইমপ্লান্টের ইনপুট ডিভাইস দ্বারা চালিত হয়। VCSEL হলো একধরনের লেজার নির্গমণকারী ডায়োড, যা ইমপ্লান্টের সরু নলাকৃতির গঠনের ভেতরে স্থাপনযোগ্য। লেজার রশ্মিগুলি কোর্টির অঙ্গে নির্দেশিত হয় এবং ইলেকট্রোডের তুলনায় অনেক ঘনবসতিতে স্থাপন করা যায়, যার ফলে আউটপুট চ্যানেলের সংখ্যা দ্বিগুণের বেশি হয়। উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সির সংকেতের জন্য লেজার ডায়োড এবং নিম্ন তীব্রতার নার্ভ সেলের জন্য ইলেকট্রোড ব্যবহৃত হয়।[১৮]
ভেস্টিবুলার প্রোস্থেসিস
[সম্পাদনা]ভেস্টিবুলার প্রোস্থেসিসগুলি ভেস্টিবুলার সিস্টেমের অকার্যকারিতার ফলে সৃষ্ট ভারসাম্যহীনতা সমস্যার পুনঃপ্রতিষ্ঠার লক্ষ্যে তৈরি করা হয়েছে। যেহেতু সেমিসারকুলার ক্যানালগুলো পরস্পর সংযুক্ত, তাই বৈদ্যুতিক উদ্দীপনার সময় কারেন্ট ছড়িয়ে পড়া একটি বড় সমস্যা। কারেন্ট ছড়িয়ে পড়লে অনাকাঙ্ক্ষিত সেমিসারকুলার ক্যানালগুলো অতিরিক্তভাবে উদ্দীপ্ত হতে পারে, যার ফলে মস্তিষ্কে ভুল ভারসাম্য সংকেত পাঠানো হয়। ইনফ্রারেড (IR) বিকিরণ ব্যবহারের সম্ভাবনাও তদন্ত করা হয়েছে। অ্যাম্পুলা অঞ্চলে বিকিরণ প্রয়োগ করলেও অ্যাকশন পটেনশিয়াল সৃষ্টি হয়নি। উদ্দীপনা ব্যর্থ হওয়ার সম্ভাব্য কারণ হতে পারে চুলকোষগুলোর IR বিকিরণের প্রতি সংবেদনশীলতার অভাব। তা সত্ত্বেও, ভেস্টিবুলার নার্ভের অপটিকাল উদ্দীপনা সম্ভব হতে পারে। এখনও এটি স্পষ্ট নয় যে এই পদ্ধতিতে বিভিন্ন অ্যাম্পুলা থেকে আগত নার্ভগুলোকে আলাদাভাবে উদ্দীপ্ত করা সম্ভব কিনা।[২][১৯]
তথ্যসূত্র
[সম্পাদনা]- ↑ ১.০ ১.১ Szobota, Stephanie; Isacoff, Ehud Y (২০১০)। "Optical control of neuronal activity."। Annual review of biophysics। 39: 329–348। অজানা প্যারামিটার
|1=উপেক্ষা করা হয়েছে (সাহায্য) - ↑ ২.০ ২.১ ২.২ ২.৩ Richter, Claus-Peter; Matic, Agnella Izzo; Wells, Jonathon D; Jansen, E Duco; Walsh, Joseph T (২০১১)। "Neural stimulation with optical radiation."। Laser & photonics reviews। 5 (1): 68–80।
- ↑ ৩.০ ৩.১ Wells, Jonathon D; Cayce, Jonathan M; Mahadevan-jansen, Anita; Konrad, Peter E; Jansen, E Duco (২০১১)। "Infrared Nerve Stimulation: A Novel Therapeutic Laser Modality"। Optical-Thermal Response of Laser-Irradiated Tissue (2 সংস্করণ)। Dordrecht: Springer Netherlands। পৃষ্ঠা 915–939।
- ↑ ৪.০ ৪.১ Berthold, Peter; Tsunoda, Satoshi P; Ernst, Oliver P; Mages, Wolfgang; Gradmann, Dietrich; Hegemann, Peter (২০০৮)। "Channelrhodopsin-1 initiates phototaxis and photophobic responses in chlamydomonas by immediate light-induced depolarization."। The Plant cell। 20 (6): 1665–1677।
- ↑ ৫.০ ৫.১ Nagel, Georg; Szellas, Tanjef; Huhn, Wolfram; Kateriya, Suneel; Adeishvili, Nona; Berthold, Peter; Ollig, Doris; Hegemann, Peter; Bamberg, Ernst (২০০৩)। "Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel"। Proceedings of the National Academy of Sciences। 100 (24): 13940–13945।
- ↑ Bamann, Christian; Kirsch, Taryn; Nagel, Georg; Bamberg, Ernst (২০০৮)। "Spectral characteristics of the photocycle of channelrhodopsin-2 and its implication for channel function."। Journal of Molecular Biology। 375 (3): 686–694।
- ↑ Ernst, Oliver P; Sánchez Murcia, Pedro a; Daldrop, Peter; Tsunoda, Satoshi P; Kateriya, Suneel; Hegemann, Peter (২০০৮)। "Photoactivation of channelrhodopsin."। The Journal of Biological Chemistry। 283 (3): 1637–1643।
- ↑ Gunaydin, Lisa; Yizhar, Ofer; Berndt, André; Sohal, Vikaas S; Deisseroth, Karl; Hegemann, Peter (২০১০)। "Ultrafast optogenetic control."। Nature neuroscience। 13 (3): 387–392।
- ↑ Lin, John Y; Lin, Michael Z; Steinbach, Paul; Tsien, Roger Y (২০০৯)। "Characterization of engineered channelrhodopsin variants with improved properties and kinetics."। Biophysical journal। 96 (5): 1803–1814।
- ↑ Duschl, A; Lanyi, JK; Zimanyi, L (১৯৯০)। "Properties and photochemistry of a halorhodopsin from the haloalkalophile, Natronobacterium pharaonis."। Journal of Biological Chemistry। 265: 1261–1267।
- ↑ ১১.০ ১১.১ Zhang, Feng; Wang, Li-Ping; Brauner, Martin; Liewald, Jana F; Kay, Kenneth; Watzke, Natalie; Wood, Phillip G; Bamberg, Ernst; Nagel, Georg; Gottschalk, Alexander; Deisseroth, Karl (২০০৭)। "Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry."। Nature। 446 (7136): 633–639।
- ↑ Han, Xue; Boyden, Edward S (২০০৭)। "Multiple-color optical activation, silencing, and desynchronization of neural activity, with single-spike temporal resolution."। Plos one। 2 (3): e299।
- ↑ ১৩.০ ১৩.১ Kim, Jong-myoung; Hwa, John; Garriga, Pere; Reeves, Philip J; Rajbhandary, Uttam L; Khorana, H Gobind (২০০৫)। "Light-Driven Activation of 2 -Adrenergic Receptor Signaling by a Chimeric Rhodopsin Containing the 2 -Adrenergic Receptor Cytoplasmic Loops"। Biochemistry। 44 (7): 2284–2292।
- ↑ Airan, Raag D; Thompson, Kimberly R; Fenno, Lief E; Bernstein, Hannah; Deisseroth, Karl (২০০৯)। "Temporally precise in vivo control of intracellular signalling."। Nature। 458 (7241): 1025–1029।
- ↑ Oh, Eugene; Maejima, Takashi; Liu, Chen; Deneris, Evan; Herlitze, Stefan (২০১০)। "Substitution of 5-HT 1A Receptor Signaling by a Light-activated G Protein-coupled Receptor"। The Journal of Biological Chemistry। 285 (40): 30825–30836।
- ↑ McGill, K C; Cummins, K L; Dorfman, L J; Berlizot, B B; Leutkemeyer, K; Nishimura, D G; Widrow, B (১৯৮২)। "On the nature and elimination of stimulus artifact in nerve signals evoked and recorded using surface electrodes."। IEEE transactions on bio-medical engineering। 29 (2): 129–137।
- ↑ Hernandez, VH; Gehrt, Anna; Reuter, Kirsten; Jing, Zhizi; Jeschke, Marcus; Schulz, Alejandro Mendoza; Hoch, Gerhard; Bartels, Matthias; Vogt, Gerhard; Garnham, Carolyn W.; Yawo, Hiromu; Fukazawa, Yugo; Augustine, George J.; Bamberg, Ernst; Kügler, Sebastian; Salditt, Tim; Hoz, Livia de; Strenzke, Nicola; Moser, Tobias (২০১৪)। "Optogenetic stimulation of the auditory pathway"। The Journal of Clinical Investigation। 124 (3): 1114–1129।
- ↑ টেমপ্লেট:Citation/patent
- ↑ Harris, DM; Bierer, SM (২০০৯)। "Optical nerve stimulation for a vestibular prosthesis"। Proceedings of SPIE। 5: 71800R।