Łącząc skanowanie MRI z użyciem pola magnetycznego o ultrawysokim natężeniu oraz dostosowaną mikroskopię oświetlenia płaszczyznowego, naukowcy uzyskali kompleksowy i niezwykle szczegółowy obraz struktury przestrzennej mózgu.
Szacuje się, że ludzki mózg zawiera 86 miliardów neuronów i taką samą liczbę komórek towarzyszących. Tworzą one złożone sieci i obwody, których struktura pozostaje w dużej mierze nieznana. Celem finansowanego ze środków UE projektu MULTICONNECT było bliższe zbadanie budowy mózgu z użyciem pionierskich technik obrazowania.
Najczęściej stosowana dotychczas metoda analizy anatomii ludzkiego mózgu polegała na przygotowaniu cienkich warstw tkanki o grubości około 100 mikronów i badanie ich pod mikroskopem. Jednak wiązało się to ze zniszczeniem struktur przestrzennych tego narządu, uniemożliwiając ich bliższe poznanie.
„Do zrozumienia złożonej budowy kory mózgowej konieczne jest zastosowanie odpowiednio dużego pola widzenia”, wyjaśnia Alard Roebroeck, koordynator projektu.
„Chcemy badać mózg w wielu skalach i z użyciem wielu technik, by umożliwić obrazowanie całych fragmentów o wielkości mierzonej w centymetrach, ale równocześnie zależy nam na uzyskaniu rozdzielczości na poziomie pojedynczych komórek”.
Wysoka rozdzielczość
W tym celu Roebroeck i jego zespół, pracujący w Zakładzie Wieloskalowego Obrazowania Połączeń Mózgowych na Wydziale Neuronauki Poznawczej Uniwersytetu w Maastricht, pobrali ze zwłok duże fragmenty tkanki nerwowej, w tym całe mózgi, i poddali je obrazowaniu w skanerze MRI generującym pole magnetyczne o ultrawysokim natężeniu.
„Wartość indukcji magnetycznej w skanerach MRI używanych w szpitalach to zazwyczaj 1,5–3 tesli, a ich izotropowa rozdzielczość przestrzenna to około 1 mm”, mówi Roebroeck. „My z kolei użyliśmy indukcji o wartości nawet 9,4 tesli, używając specjalnie do tego celu przygotowanych cewek wykorzystujących fale elektromagnetyczne o częstotliwości radiowej oraz stosując dłuższe czasy obrazowania, by zeskanować cały mózg w rozdzielczości maksymalnie 100 mikronów”.
Dane te następnie połączono z obrazami uzyskanymi techniką mikroskopii fluorescencyjnej oświetlenia płaszczyznowego. W tej technice próbki oświetla się płaszczyzną światła lasera, co pozwala na podzielenie tkanki na cienkie warstwy optyczne i obrazowanie jej wnętrza bez zaburzania struktury przestrzennej i przy bardzo dużej szybkości skanowania.
Aby jak najlepiej zachować struktury przestrzenne, Roebroeck użył dużych fragmentów tkanki mózgowej – o grubości nawet 5 mm – których przezroczystość uprzednio zwiększono poprzez usunięcie niepożądanych elementów, na przykład lipidów. Skanowanie tak dużych próbek – o powierzchni 8 centymetrów kwadratowych i większych – wymagało zaprojektowania i zbudowania specjalnego mikroskopu wykorzystującego oświetlenie płaszczyznowe.
Roebroeck i jego zespół byli w stanie uchwycić drobne szczegóły, takie jak pojedyncze warstwy, kolumny i komórki kory mózgowej, która ma grubość zaledwie 4 mm. „Jako pierwsi uzyskaliśmy obrazy całego mózgu o rozdzielczości 75 mikronów”, dodaje badacz.
Przetwarzanie danych
W ramach projektu wygenerowano ogromne ilości danych: nawet 10 terabajtów informacji na jedną próbkę. „Rozwój metod obrazowania zawsze łączy się z dodatkowymi wyzwaniami, przez co potrzebne są nowe sposoby na dostosowywanie i przetwarzanie danych, których ilość jest tysiąc razy większa niż wcześniej”, zauważa Roebroeck.
Prace w ramach projektu były wspierane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych. Opracowane techniki obrazowania wywołały już spore zainteresowanie ze względu na możliwość wykorzystania ich w innych dziedzinach, takich jak analiza guzów w patologii lub wszczepianie implantów stymulujących mózg.
Nowy atlas struktury mózgu zostanie udostępniony innym badaczom. Dla Roebroecka kluczową kwestią jest odpowiedź na pytanie, jak mikrostruktura mózgu wpływa na rodzaj obliczeń, które może on wykonywać. „Sposób, w jaki naukowcy patrzą na funkcje obliczeniowe realizowane przez mózg, zaczyna się zmieniać. Mamy obecnie większą wiedzę na temat istniejących ograniczeń i obwodów, jakie mogą tworzyć komórki mózgowe”, mówi badacz.
Komentarze
[ z 0]