Как выглядит болезнь Альцгеймера. Получено подробнейшее изображение полушарий мозга
Ученые Массачусетского технологического института разработали технологический процесс, который позволяет получить изображение целых полушарий головного мозга человека и детализировать их до отдельных тканей, нейронов, синапсов и межклеточных структур. Ученые сравнили здоровый мозг и мозг, поврежденный болезнью Альцгеймера.
«Мы выполнили целостную визуализацию тканей головного мозга человека с различным разрешением, от отдельных синапсов до целых полушарий, и сделали эти данные доступными», — говорит ведущий автор работы Кванхун Чанг, доцент Массачусетского технологического института.
Статья опубликована в журнале Science.
Новое исследование еще не дает полной карты всего мозга, в котором каждая клетка, цепь и белок можно идентифицировать, но оно демонстрирует интегрированный набор из трех технологий, позволяющих реализовать эту возможность.
Представления в различных масштабах двух типов нейронов (экспрессирующих кальретинин голубого цвета и экспрессирующих соматостатин пурпурного цвета) в префронтальной коре головного мозга человека. Chung Lab/MIT Picower Institute
Ключевой особенностью новой технологической линии является то, что анализ не разрушает ткани мозга. И один и тот же мозг донора можно использовать для многих исследований.
Другой важный момент — это относительно высокая масштабируемость процесса: получение изображения всего полушария мозга после его подготовки занимает 100 часов, а не многие месяцы, как это было до сих пор. Это означает, что можно создать множество карт мозга для разных полов, возрастов, заболеваний, внешних факторов. А потом использовать сравнение данных и машинное обучение.
Чанг предполагает создать банк полностью визуализированного мозга, который исследователи могли бы анализировать и по новому маркировать по мере для новых исследований.
Многочисленные антитела маркируют клеточные и молекулярные компоненты (разными цветами) в орбитофронтальной коре головного мозга донора с болезнью Альцгеймера. Chung Lab/MIT Picower Institute
Три ключевых идеи
Чанг сказал, что самой большой проблемой, с которой он столкнулся и которую в конце концов ему удалось решить, было создание команды ученых в Массачусетском технологическом институте. В нее вошли три талантливых молодых исследователя, и каждый из стал соавтором статьи и внес в решение проблемы ключевую роль.
Цзи Ван, инженер-механик, разработала Megatome — устройство, позволяющее нарезать полушария человеческого мозга настолько тонко, что ткани не повреждается. Если их объединить снова, они фактически сольются.
Джухёк Пак, инженер-материаловед разработал химию, которая делает каждый срез мозга четким, гибким и прочным. Технология маркировки получила название mELAST. Ученый разработал гидрогель, который делает срезы прозрачными. Их можно затем равномерно и быстро насыщать метками антител, которые выделяют интересующие клетки и белки.
Вебстер Гуан разработал вычислительную систему UNSLICE, которая объединяет срезы и реконструирует полушария в 3D-изображение, вплоть до точного соединения кровеносных сосудов и нейронных аксонов.
Ни одна технология сегодня не позволяет получить изображение всей анатомии человеческого мозга с субклеточным разрешением без разрезания. Но ученым удалось минимизировать неизбежные при разрезании и восстановлении потери.
С помощью светового микроскопа, настроенного в лаборатории, можно получить изображения всего полушария вплоть до отдельных синапсов примерно за 100 часов.
Болезнь Альцгеймера
В течение многих лет Чанг сотрудничал с соавтором новой работы Мэтью Фрошем, исследователем болезни Альцгеймера и директором банка мозга Массачусетской больницы общего профиля. Ученые стремились визуализировать мозг при болезни Альцгеймера.
Создав новую технологию, они начали такое исследование. «Мы не планировали все эти эксперименты заранее», — сказал Чанг. «Мы просто начали с того, что сказали: "Хорошо, давайте изобразим этот срез и посмотрим, что мы увидим". Мы определили области мозга со значительной потерей нейронов при Альцгеймере, и решили посмотреть, что там происходит: "Давайте нырнем глубже"».
Большую часть своего анализа нейробиологи сосредоточили на орбитофронтальной коре каждого полушария. Одно из многих наблюдений, которые они сделали, заключалось в том, что потеря синапсов концентрировалась в областях, где наблюдалось скопление амилоидных бляшек. За пределами участков «забитых» бляшками плотность синапсов в мозге с болезнью Альцгеймера была такой же высокой, как и в мозге без заболевания.
По словам Чанга, имея всего два образца, команда, конечно, не делает никаких выводов о природе болезни Альцгеймера, но суть исследования заключается в том, что теперь существует возможность полностью отображать и глубоко анализировать целые полушария человеческого мозга, чтобы проводить сравнительные исследования.
Ученые отметили, что технология одинаково хорошо применима ко многим другим тканям тела, 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», — заключают авторы.