بررسی خواب و سلامت روحی با کمک یک حسگر مبتنی بر هوش مصنوعی
سروتونین، یک ماده شیمیایی عصبی است که نقش مهمی در نحوه کنترل رفتار و احساسات ما بر مغز دارد. برای مثال، برخی از داروهای ضدافسردگی طوری طراحی می‌شوند که سیگنال‌های سروتونین ارسال شده بین سلول‌های عصبی را اصلاح شوند. پژوهشگران "دانشکده پزشکی دانشگاه کالیفرنیا دیویس" (UC Davis School of Medicine) در پروژه جدیدی، از روش‌های پیشرفته مهندسی ژنتیک استفاده کرده‌اند تا یک پروتئین باکتریایی را به یک ابزار پژوهشی جدید تبدیل کنند که ممکن است بررسی انتقال سروتونین را با وفاداری بیشتری نسبت به روش‌های کنونی انجام دهد. آزمایش‌های پیش‌بالینی که نخست در موش‌ها انجام شد، نشان داد که شاید حسگر ابداع شده توسط این پژوهشگران بتواند تغییرات ظریف در سطح سروتونین را در لحظه و طی بروز ترس، خواب و تعاملات اجتماعی تشخیص دهد و اثربخشی داروهای فعال‌کننده روان را بررسی کند. هدف از این پژوهش، ایجاد تحول در درک ما از مغز هنگام سلامتی و هنگام بروز بیماری است.
روش‌های کنونی فقط می‌توانند تغییرات گسترده را در سیگنال‌دهی سروتونین تشخیص دهند. پژوهشگران در این پروژه، یک پروتئین باکتریایی جذب‌کننده مواد مغذی را به یک حسگر بسیار حساس تبدیل کردند که هنگام جذب سروتونین روشن می‌شود. آنها از روش‌های قدیمی مهندسی ژنتیک برای تبدیل کردن پروتئین به حسگر پیام‌رسان عصبی "استیل‌کولین" (acetylcholine)
استفاده کردند. این پروتئین جدید موسوم به "OpuBC" معمولا ماده مغذی "کولین" (choline) را که شکلی مشابه استیل‌کولین دارد، به دام می‌اندازد. پژوهشگران در این پروژه نشان دادند که برای طراحی پروتئین OpuBC به عنوان گیرنده سروتونین، به کمک هوش مصنوعی نیاز دارند.
پژوهشگران از الگوریتم‌های یادگیری ماشینی استفاده کردند تا به رایانه کمک کنند که به ۲۵۰ هزار طراحی جدید فکر کند. آنها آزمایشی را پس از سه بار بررسی انجام دادند. آزمایش‌های ابتدایی نشان می‌دهند که حسگر جدید می‌تواند سروتونین را در سطوح متفاوت مغز تشخیص دهد و کمترین واکنش را نسبت به دیگر پیام‌رسان‌های عصبی داشته باشد و یا واکنشی نشان ندهد. آزمایش‌های صورت گرفته در برش‌های مغز موش‌ها نشان داد که حسگر نسبت به سیگنال‌های سروتونین ارسال‌شده بین نورون‌ها در نقاط ارتباطات سیناپس واکنش نشان می‌دهد. آزمایش‌هایی که روی سلول‌های موجود در پتری‌دیش صورت گرفت، نشان داد که حسگر می‌تواند تغییرات ایجاد شده در این سیگنال‌ها را که از مخدرهایی مانند کوکائین و چندین داروی متداول ضد افسردگی ناشی می‌شود، به صورت موثر بررسی کند.
آزمایش‌های صورت گرفته روی موش‌ها نهایتا نشان داد که این حسگر می‌تواند به دانشمندان در بررسی پیام‌رسان عصبی سروتونین تحت شرایط عادی‌تر کمک کند. برای مثال، پژوهشگران در این آزمایش‌ها مشاهده کردند که میزان سروتونین هنگام بیداری موش‌ها افزایش و هنگام خواب کاهش می‌یابد. هنگامی که خواب موش‌ها عمیق‌تر شد، سروتونین افت شدیدتری پیدا کرد. روش‌های قدیمی بررسی سروتونین، این تغییرات را از دست می‌دهند. به علاوه، پژوهشگران مشاهده کردند هنگامی که موش‌ها با شوک ناشی از صدای زنگ رو به رو می‌شوند، سطح سروتونین در دو مدار جداگانه مربوط به ترس مغز افزایش می‌یابد. صدای زنگ در یک مدار، به افزایش سریع و زیاد سروتونین منجر می‌شود؛ در حالی که در مدار دوم، به سطح پایین‌تری می‌رسد.
پژوهشگران قصد دارند این حسگر را به راحتی در اختیار سایر دانشمندان قرار دهند. آنها امیدوارند که این حسگر به پژوهشگران کمک کند تا درک بهتری از نقش حیاتی سروتونین در زندگی روزمره و بسیاری از بیماری‌های روانی داشته باشند.
این پژوهش، در مجله "Cell" به چاپ رسید.
