Технологии позволяют получать трехмерные изображения целых полушарий человеческого мозга с субклеточным разрешением

Важные новости

Технологии позволяют получать 3D-изображения всех полушарий человеческого мозга с субклеточным разрешением

Срез ткани головного мозга человека (с двумя вставками, показывающими увеличенные области) с 12-цветной маркировкой, одновременно разрешающей различные клетки, сосудистую сеть и белки. Фото: Лаборатория Чунга/Институт Пиковера Массачусетского технологического института.

Наблюдение всего и вся в человеческом мозге, независимо от того, насколько он большой или маленький, пока он полностью неповреждён, на протяжении десятилетий было недостижимой мечтой нейробиологии. но в новом исследовании журнала ScienceКоманда из Массачусетского технологического института описывает технологический конвейер, который позволил им точно обрабатывать, обозначать и четко отображать полные полушария мозга двух доноров — одного с болезнью Альцгеймера, а другого без — с высоким разрешением и скоростью.

«Мы выполнили целостную визуализацию тканей головного мозга человека с различным разрешением, от отдельных синапсов до целых полушарий мозга, и сделали эти данные доступными», — сказал старший и корреспондент Кванхун Чунг, доцент Института обучения и памяти Пикауэра, кафедры Химическая инженерия, мозговые и когнитивные науки, а также Институт медицинской инженерии и науки Массачусетского технологического института.

«Этот технологический конвейер действительно позволяет нам анализировать человеческий мозг в различных масштабах. Потенциально этот конвейер можно использовать для полной картирование человеческого мозга.»

Новое исследование еще не представляет комплексную карту или атлас всего мозга, в котором каждая клетка, цепь и белок идентифицируются и анализируются, но с полной визуализацией полушария оно демонстрирует интегрированный набор из трех технологий, позволяющих реализовать эту и другие долгосрочные возможности. -разыскиваемые нейробиологические исследования.

Исследование представляет собой «доказательство концепции», демонстрируя многочисленные примеры того, что делает возможным конвейер, включая обширные ландшафты из тысяч нейронов в целых областях мозга, разнообразные леса клеток, каждый в отдельные детали и пучки субклеточных структур, расположенных среди внеклеточных молекул.

Исследователи также представляют богатое разнообразие количественных аналитических сравнений, сосредоточенных на выбранной области в полушариях с болезнью Альцгеймера и без болезни Альцгеймера.

Важность возможности получать изображения целых полушарий человеческого мозга в целости и с высоким разрешением. По словам Чунга, количество отдельных синапсов (крошечных связей, которые нейроны создают в цепи) имеет двойное значение для понимания работы человеческого мозга в здоровом и болезненном состоянии.

Многочисленные антитела маркируют клеточные и молекулярные компоненты (разными цветами) в орбитофронтальной коре головного мозга донора с болезнью Альцгеймера. Фото: Chung Lab/MIT Picower Institute

Три ключевые инновации

Чанг сказал, что самой большой проблемой, с которой он столкнулся на пути к достижениям, описанным в статье, было создание в Массачусетском технологическом институте команды, которая В него вошли трое особенно талантливых молодых ученых, каждый из которых является соавтором статьи, поскольку они сыграли ключевую роль в создании трех основных инноваций.

Цзи Ван, инженер-механик и бывший постдок, разработал «Мегатом» — устройство, позволяющее нарезать неповрежденные полушария человеческого мозга настолько тонко, что оно не повреждается.

Джухёк Пак, инженер-материаловед и бывший постдок , разработали химию, которая делает каждый срез мозга четким, гибким, долговечным, расширяемым и быстро, равномерно и многократно маркируемым — технология под названием «mELAST».

Вебстер Гуан, бывший аспирант факультета химической инженерии Массачусетского технологического института, обладающий талантом к разработке программного обеспечения, создал вычислительную систему под названием «UNSLICE», которая может бесшовно объединять пластины для реконструкции каждого полушария в полном 3D, вплоть до точного выравнивания отдельных кровеносных сосудов и нейронных аксонов (длинных цепей, которые они вытягивают для создания связей с другими нейронами).

Ни одна технология не позволяет получить изображение всей анатомии человеческого мозга с субклеточным разрешением без предварительного его разрезания, потому что он очень толстый (в 3000 раз больше объема мозга мыши) и непрозрачный. Но в Мегатоме ткани остаются неповрежденными, потому что Ван, который сейчас работает в компании LifeCanvas Technologies, основанной Чунгом, сконструировал лезвие так, чтобы оно вибрировало из стороны в сторону быстрее и при этом охватывало шире, чем предыдущие срезы вибратома.

Между тем, она также создала инструмент, чтобы он идеально оставался в своей плоскости, сказал Чанг. В результате получаются срезы, которые не теряют анатомическую информацию ни при разделении, ни где-либо еще. А поскольку вибратом режет относительно быстро и может разрезать более толстые (и, следовательно, меньшее количество) куски ткани, целое полушарие можно разрезать за день, а не за месяцы.

Технологии позволяют получать 3D-изображения целых полушарий человеческого мозга с субклеточным разрешением

Поток визуализации и анализа технологического конвейера с образцами изображений с богатой маркировкой для различения крупномасштабной структуры мозга (слева), цепей, отдельных клеток и отдельных синапсов (справа). Кредит: Chung Lab/MIT Picower Institute

Основная причина, по которой плиты в трубопроводе могут быть толще, связана с компанией mELAST. Парк разработал гидрогель, который пропитывает образец мозга, чтобы сделать его оптически прозрачным, практически неразрушимым, сжимаемым и расширяемым. В сочетании с другими технологиями химической инженерии, разработанными в последние годы в лаборатории Чанга, образцы можно затем равномерно и быстро насыщать метками антител, которые выделяют интересующие клетки и белки.

С помощью светового микроскопа, настроенного в лаборатории, можно получить изображения всего полушария вплоть до отдельных синапсов примерно за 100 часов, сообщают авторы исследования. Сейчас Пак является доцентом Сеульского национального университета в Южной Корее.

«Эта передовая полимерная сеть, которая точно настраивает физико-химические свойства тканей, позволила мультиплексировать многомасштабные изображения неповрежденного человеческого мозга», — сказал Пак. .

После того, как каждая плита была изображена, задача состоит в том, чтобы восстановить неповрежденную картину всего полушария вычислительным путем. UNSLICE Гуана делает это в нескольких масштабах. Например, на среднем, или «мезо», уровне он алгоритмически отслеживает кровеносные сосуды, входящие в один слой из соседних слоев, и сопоставляет их. Но для этого нужен еще более тонкий подход.

Для дальнейшей регистрации пластин команда намеренно пометила соседние нейронные аксоны разными цветами (как провода в электроприборе). По словам Чанга, это позволило UNSLICE сопоставить слои на основе отслеживания аксонов. Гуань теперь также работает в LifeCanvas.

В своем исследовании ученые приводят целый ряд примеров того, на что способен трубопровод. Самый первый рисунок демонстрирует, что визуализация позволяет детально обозначить целое полушарие, а затем перейти от широкого масштаба структур всего мозга к уровню цепей, затем отдельных клеток и затем субклеточных компонентов, таких как синапсы.

Другие изображения и видео демонстрируют, насколько разнообразной может быть маркировка: длинные аксональные связи, а также обилие и форма различных типов клеток, включая не только нейроны, но также астроциты и микроглию.

Технологии позволяют получать 3D-изображения целых полушарий человеческого мозга с субклеточным разрешением

Сравнение того, что можно увидеть в орбитофронтальной коре контрольного мозга и образцах мозга с болезнью Альцгеймера: Обратите внимание, что во втором раунде маркировки гораздо больше бета-амилоида (AB) видно в образце с болезнью Альцгеймера (нижний ряд). То же самое верно и для фосфорированного тау (pTau) в пятом раунде. Фото: Chung Lab/MIT

Изучение болезни Альцгеймера

В течение многих лет Чанг сотрудничал с соавтором Мэтью. Фрош, исследователь болезни Альцгеймера и директор банка мозга Массачусетской больницы общего профиля, призван визуализировать и понять мозг при болезни Альцгеймера.

Создав новый конвейер, они начали открытое исследование, сначала отметив, где внутри кусочка ткани они увидели наибольшую потерю нейронов в образце болезни по сравнению с контролем. После этого они последовали своему любопытству – поскольку технология позволяла им это делать – и в конечном итоге провели серию подробных исследований, описанных в статье.

«Мы не планировали все эти эксперименты заранее», — сказал Чанг. «Мы просто начали с того, что сказали: «Хорошо, давайте изобразим эту плиту и посмотрим, что мы увидим». Мы определили области мозга со значительной потерей нейронов, поэтому давайте посмотрим, что там происходит. «Давайте углубимся». Поэтому мы использовали множество различных маркеров, чтобы охарактеризовать и увидеть взаимосвязь между патогенными факторами и различными типами клеток».

«Этот конвейер позволяет нам иметь практически неограниченный доступ к тканям», — сказал Чанг. «Мы всегда можем вернуться назад и посмотреть что-то новое».

Большую часть своего анализа они сосредоточили на орбитофронтальной коре каждого полушария. Одно из многих наблюдений, которые они сделали, заключалось в том, что потеря синапсов концентрировалась в областях, где наблюдалось прямое перекрытие с амилоидными бляшками. За пределами бляшек плотность синапсов в мозге с болезнью Альцгеймера была такой же высокой, как и в мозгу без этого заболевания.

По словам Чанга, имея всего два образца, команда не делает никаких выводов о природе конечно, болезни Альцгеймера, но суть исследования в том, что теперь существует возможность полностью отображать и глубоко анализировать целые полушария человеческого мозга, что позволяет проводить именно такие исследования.

Примечательно, что технология применима в равной степени. а также ко многим другим тканям организма, а не только к мозгу.

«Мы предполагаем, что эта масштабируемая технологическая платформа улучшит наше понимание функций органов человека и механизмов заболеваний, что будет стимулировать разработку новых методов лечения», — авторы. В заключение.

Дополнительная информация: Джухёк Пак и др., Интегрированная платформа для многомасштабной молекулярной визуализации и фенотипирования человеческого мозга, Наука (2024 г.). DOI: 10.1126/science.adh9979. www.science.org/doi/10.1126/science.adh9979

Информация журнала: Наука предоставлена ​​Массачусетским технологическим институтом

Новости сегодня

Последние новости