3D-карта мозга показывает связь между клетками в нано-масштабе

Исследователи надеются, что эти беспрецедентные изображения позволят изучить аномальные соединения при неврологических расстройствах, таких как шизофрения и депрессия.
Ученые создали карту мозга с беспрецедентно высокой разрешающей способностью, которая показывает структуры, столь маленькие, какие только можно обнаружить в отдельных нервных клетках.
Они создали 3D-карту из компиляции снимков, сделанных с наноразмерным разрешением, что позволило выделить структуры, измеренные в миллионных долях миллиметра.
Исследователи планируют использовать этот инструмент для изучения аномальных связей между клетками мозга, которые лежат в основе изнурительных неврологических расстройств, таких как шизофрения и депрессия.
«Мы говорим о визуализации, близкой к уровню молекулы», — говорит Нараянан Кастури, нейробиолог из Гарвардского университета, ответственный за создание карты.
Кастури и его коллега Джефф Лихтман создали систему, которая автоматически нарезает изображение мозга на тысячи слоев. После окрашивания срезов для дифференциации тканей, обученный электронный микроскоп сфотографировал каждый срез. Затем компьютер присвоил различные цвета отдельным структурам и собрал изображения воедино, создав 3D-карту.
Ученые продемонстрировали возможности системы путем визуализации области мозга мыши, ответственного за чувственное восприятие. Результаты исследования были опубликованы в журнале Cell.
Традиционные методы визуализации головного мозга, такие как МРТ, просты в использовании, но могут «нарезать» изображение мозга с масштабом около миллиметра. Немецкий анатомический атлас, называемый «BigBrain», делает «нарезку» человеческого мозга до микрометров — тоньше, чем человеческий волос — и почти в масштабе отдельных клеток.
Для контраста — инструмент Кастури производит наноразмерные изображения отдельных клеток головного мозга, их содержания и их связей. «Один пиксель на МРТ соответствует приблизительно миллиарду пикселей на наших изображениях», — подчеркивает он.
Обычно картирование мозга в такой невероятной детализации предполагает компромисс: тонкие срезы тканей могут быть изображены в очень высоком разрешении, но в толще секции разрешение падает. Кастури обошел эту проблему (необходимости вручную фотографировать тысячи тонких ломтиков) за счет автоматизации процесса. Срезы сфотографированы с помощью микроскопа и затем сложены вместе.
«Эта работа действительно является хитом экстраординарного расслоения, и, в то ж время, с возможностью обследовать относительно большие анатомические области», — сказал Артур Тога, применяющий сканирование мозга для изучения неврологических расстройств в Университете Южной Калифорнии, Лос-Анджелесе. «Попытки других ученых «пали жертвой» одни за другими. Они либо обеспечивали высокое разрешение в очень малых, часто 2D-пространствах, либо они охватывали большие площади, но без детализации», — добавляет он.
«Установка будет использоваться для расслоения снимка мозга после смерти. Мы надеемся, что путем отслеживания нервных путей можно будет ответить на вопросы о том, как неврологическое расстройство выглядит в мозге. «Если бы мы могли сделать карту мозга больных шизофренией и сравнить его с мозгом без шизофрении, мы смогли бы поискать неправильные связи, вызывающие заболевания», — объясняет Кастури.
Тем не менее, Мария Рон, профессор психоневрологии университетского колледжа Лондона, сказала, что будет трудно использовать систему для больших групп пациентов, чтобы выведать многое о заболеваниях головного мозга.
К тому же, решение такой задачи потребовало бы значительной вычислительной мощности. Изображение целого мозга мыши, сделанного установкой, потребовало бы создания миллиардов гигабайтов данных, сказал Кастури. Это эквивалентно миллиардам фильмов с высоким разрешением и создало бы самый большой набор данных, собранный когда-либо.
Но Кастури уверен, что такие вычислительные возможности будут достигнуты в течение трех-пяти лет. Для изображения человеческого мозга может потребоваться еще лет десять, — оценивает он.
Сейчас группа работает над «машинным зрением», которое используют компьютеры, чтобы отслеживать отдельные нейроны через мозг и анализировать их соединения. «Как только мы достигнем этого, у нас будет шанс получить свою порцию аплодисментов», — заключил Кастури.