Исследователям больше не придется выбирать между изучением отдельного человеческого мозга как мозаики фрагментированных изображений или отдаленного пиксельного изображения крупных структур.
Вместо этого новая платформа визуализации, разработанная американской командой, плавно сочетает в себе более мелкие детали клеток мозга, их связей и содержимого с картами всего мозга целых сетей нейронов, поддерживающих общую архитектуру мозга. Исследование опубликовано в журнале Science.
Эти элементы биологии мозга существуют в совершенно разных масштабах: от нанометровых промежутков синапсов до областей мозга длиной в сантиметр, для анализа которых до сих пор требовалось множество образцов из разных мозгов с использованием различных технологий на разных платформах.
Впервые продемонстрированное использование платформы на тканях человека при визуализации двух целых мозгов выявило отчетливые изменения в мозге одного человека с болезнью Альцгеймера.
Новая платформа включает в себя три основных элемента для нарезки, обработки и последующего изображения тканей мозга с «беспрецедентным разрешением и скоростью», по словам разработавшей ее исследовательской группы под руководством Кванхуна Чанга, инженера-химика из Массачусетского технологического института (MIT).
Сначала инновационное устройство разрезает ткань мозга на секции. Он использует тщательно настроенные вибрации, чтобы избежать истирания, аккуратно разделяя клетки на невероятно тонкие срезы, не нарушая их связей.
Затем химический метод обратимо преобразует эти участки ткани в эластичный, расширяемый тканевый гидрогель, готовый для мечения антителами и визуализации белков и других внутренних объектов с высоким разрешением.
Наконец, вычислительный инструмент «сшивает» срезанные ткани вместе и отображает связи между отдельными клетками. Эти «проектомы» отдельных клеток мозга затем можно интегрировать с профилями, отражающими молекулы, экспрессируемые в каждой клетке.
«Мы должны иметь возможность видеть все эти различные функциональные компоненты — клетки, их морфологию и их связность, субклеточную архитектуру и их индивидуальные синаптические связи — в идеале в одном и том же мозге», чтобы иметь возможность сравнивать мозг в целом и находить индивидуальные различия», — говорит Чунг. «Этот технологический конвейер действительно позволяет нам полностью интегрированно извлекать все эти важные функции из одного и того же мозга».
Гидрогель, превращенный в ткань, мягко раздувает срезы тканей, чтобы их можно было четко визуализировать; а насос равномерно вводит в ткани флуоресцентные красители, обеспечивая равномерное окрашивание целых органов.
В головокружительной демонстрации возможностей платформы по визуализации исследователи приводят примеры, когда они маркировали одно целое полушарие мозга, затем увеличивали масштаб, чтобы сделать снимок клеточных цепей, а затем отдельных клеток и их соединений через соединения, называемые синапсами.
Что касается того, как платформа реконструирует эти связи в нескольких срезах тканей, компьютерный инструмент имеет алгоритм, который сопоставляет кровеносные сосуды, выходящие из одного слоя и входящие в соседний, и отслеживает расширения соседних нейронов, называемые аксонами.
Объединив все это, исследователи изобразили весь мозг двух щедрых доноров: одного с болезнью Альцгеймера, а другого — без нее.
Они выявили обычные патологические особенности болезни Альцгеймера, в том числе накопление амилоидных бляшек и тау-клубков, а также сморщивание клеток головного мозга, но их визуализация также выявила некоторые более тонкие различия.
Аксоны клеток головного мозга у пациента с болезнью Альцгеймера были опухшими. Клетки мозга в областях, насыщенных тау-белками и амилоидами, также потеряли защитное миелиновое покрытие и отдалились от своих соседей.
Это «поддерживает исследования нейровизуализации, которые предполагают серьезное повреждение связей орбитофронтальной коры на поздних стадиях болезни Альцгеймера», пишет команда в своей статье. Однако эта галерея представляет собой только один снимок всего двух мозгов.
В последнее время ученые создали несколько удивительно подробных изображений человеческого мозга, увеличив масштаб до одного кубического миллиметра мозговой ткани – десятилетняя работа, в результате которой в конечном итоге было получено 1,4 петабайта данных.
Изобразить, как меняется мозг по мере его медленной деградации при таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера, является несколько более сложной задачей, поскольку исследователи часто работают с посмертными тканями мозга, пожертвованными в конце жизни, или полагаются на традиционные исследования всего мозга, такие как МРТ, в надежде чтобы обнаружить изменения до того, как начнется заболевание.
Также пока неясно, как платформа может адаптироваться к быстро развивающимся достижениям в области визуализации мозга, но команда надеется, что их система поможет стимулировать разработку новых методов лечения и максимизировать объем информации, извлекаемой из ценных донорских тканей.
«Этот трубопровод позволяет нам иметь практически неограниченный доступ к тканям», — говорит Чанг. «Мы всегда можем вернуться и посмотреть на что-то новое».
Иллюстрация к статье:
материал med2.ru
Загрузка...
