Исследователи из Чикагского университета и США.S. Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики США использовала существующие передовые методы рентгеновской микроскопии, чтобы преодолеть разрыв между МРТ (магнитно-резонансная томография) и электронной микроскопией, создав жизнеспособный конвейер для многомасштабной визуализации всего мозга в одном и том же мозге. Доказательная демонстрация концепции включала визуализацию всего мозга мыши с разрешением пяти порядков, шаг, который, по словам исследователей, позволит лучше связать существующие подходы к визуализации и выявить новые детали о структуре мозга.
Прогресс, опубликованный 9 июня в NeuroImage, позволит ученым соединять биомаркеры на микроскопическом и макроскопическом уровне, улучшая разрешение МРТ-изображений и обеспечивая больший контекст для электронной микроскопии.
"Наша лаборатория действительно заинтересована в отображении мозга в нескольких масштабах, чтобы получить объективное описание того, как выглядит мозг," сказал старший автор Нараянан "Бобби" Кастури, доктор медицины, доцент нейробиологии в Калифорнийском университете в Чикаго и исследователь нейробиологии в Аргонне. "Когда я поступил здесь на факультет, одной из первых вещей, которые я узнал, было то, что в Аргонне есть чрезвычайно мощный рентгеновский микроскоп, который еще не использовался для картирования мозга, поэтому мы решили попробовать его."
В микроскопе используется метод визуализации, называемый рентгеновской томографией на основе синхротрона, которую можно сравнить с рентгеновской томографией "микро-КТ," или микрокомпьютерная томография. Благодаря мощному рентгеновскому излучению, производимому синхротронным ускорителем частиц в Аргонне, исследователи смогли получить изображение всего мозга мыши – примерно один кубический сантиметр – с разрешением микрона, 1/10 000 сантиметра. На получение изображений всего мозга ушло около шести часов, что в сумме составляет около 2 терабайт (ТБ) данных. Это один из самых быстрых подходов к визуализации всего мозга с таким уровнем разрешения.
МРТ может быстро отобразить весь мозг для отслеживания нейронных трактов, но разрешения недостаточно для наблюдения за отдельными нейронами или их связями. С другой стороны, электронная микроскопия (ЭМ) может выявить детали отдельных синапсов, но генерирует огромное количество данных, что затрудняет с вычислительной точки зрения просмотр кусков ткани головного мозга, объем которых превышает несколько микрометров. Существующие методы изучения нейроанатомии с микрометрическим разрешением обычно либо просто двухмерные, либо используют протоколы, несовместимые с МРТ или ЭМ-визуализацией, что делает невозможным использование одной и той же ткани мозга для визуализации во всех масштабах.
Исследователи быстро поняли, что их новый подход к микро-КТ или мкКТ может помочь преодолеть существующий разрыв в разрешении. "Было проведено множество исследований изображений, в которых люди использовали МРТ, чтобы посмотреть на весь уровень мозга, а затем пытались подтвердить эти результаты с помощью ЭМ, но есть разрыв в разрешениях," сказал первый автор Шон Фоксли, доктор философии.D., Доцент-исследователь в Калифорнийском университете в Чикаго. "Трудно что-либо сказать о большом объеме ткани, которую вы видите с помощью МРТ, когда вы смотрите на набор данных ЭМ, и рентгеновский снимок может восполнить этот пробел. Теперь у нас наконец-то есть что-то, что позволяет нам легко просматривать все уровни разрешения."
Объединив свои знания в области МРТ и ЭМ, Фоксли, Кастури и остальная часть их команды решили попытаться составить карту мозга одной мыши, используя эти три подхода. "Почему мы выбрали мозг мыши? Потому что он помещается в микроскоп," Кастури сказал со смехом. "Но также мышь – это рабочая лошадка нейробиологии; они очень полезны для анализа различных экспериментальных условий в мозгу."
После сбора и сохранения ткани команда поместила образец в сканер МРТ, чтобы получить структурные изображения всего мозга. Затем он был помещен на вращающийся предметный столик в сканере μCT в Advanced Photon Source, учреждении Министерства науки Министерства энергетики США, чтобы собрать данные CT до того, как определенные интересующие области в стволе мозга и мозжечке будут идентифицированы для нацеливания на ЭМ.
После нескольких месяцев обработки данных и отслеживания изображений исследователи определили, что они могут использовать структурные маркеры, идентифицированные на МРТ, для локализации определенных подгрупп нейронов в определенных областях мозга и что они могут отслеживать размер и форму отдельных тел клеток. Они также могли отслеживать аксоны отдельных нейронов, когда они путешествовали через мозг, и могли связывать информацию из изображений μCT с тем, что они видели на синаптическом уровне с помощью ЭМ.
По словам команды, этот подход будет полезен не только для визуализации мозга с разрешением μCT, но и для получения информации о МРТ и ЭМ-визуализации.
"Визуализация 1-миллиметрового куба мозга с помощью ЭМ, что примерно соответствует минимальному разрешению изображения МРТ, дает почти миллион гигабайт данных," Кастури сказал. "А это всего лишь 1-миллиметровый куб. Я не знаю, что происходит в следующем кубе или в следующем, поэтому у меня действительно нет контекста для того, что я вижу с помощью EM. МРТ может предоставить некоторый контекст, за исключением того, что масштаб слишком велик для преодоления. Теперь этот микроконтроллер дает нам необходимый контекст для нашей работы с ЭМ."
С другой стороны, Фоксли взволнован тем, как этот подход может быть полезен для понимания живого мозга с помощью МРТ. "Этот метод дает нам действительно четкий способ идентифицировать изменения в микроструктуре мозга при наличии заболевания или травмы," он сказал. "Итак, теперь мы можем начать поиск биомаркеров с помощью μCT, которые затем можно отследить до того, что мы видим на МРТ в живом мозге. Рентген позволяет нам смотреть на вещи на клеточном уровне, поэтому мы можем спросить, что изменилось на клеточном уровне, вызвав глобальное изменение сигнала МРТ на макроскопическом уровне?"
Исследователи уже используют эту технику, чтобы начать изучение важных вопросов нейробиологии, изучая мозг мышей, которые были генетически сконструированы для развития болезни Альцгеймера, чтобы увидеть, смогут ли они отследить бляшки Ab, обнаруженные с помощью μCT, до измеримых изменений на МРТ-сканировании. особенно на ранних стадиях болезни.
Важно отметить, что, поскольку эта работа проводилась в национальной лаборатории, этот ресурс будет открытым и свободно доступным для других ученых всего мира, что позволит исследователям начать задавать и отвечать на вопросы, которые охватывают весь мозг и доходят до синаптического уровня.
Однако на данный момент команда UChicago больше всего заинтересована в продолжении совершенствования техники. "Следующим шагом будет создание всего мозга приматов," сказал Кастури. "Мозг мыши возможен и полезен для патологических моделей. Но что я действительно хочу сделать, так это получить изображение всего мозга приматов до уровня каждого нейрона и каждого синаптического соединения. И как только мы это сделаем, я хочу сделать весь человеческий мозг."