Obserwowanie wszelkich zmian w ludzkim mózgu, bez względu na to, jak są duże lub małe, gdy jest on w pełni nienaruszony, było przez dziesięciolecia nieosiągalnym marzeniem neuronauki. W nowym badaniu opublikowanym w „Science” zespół z MIT opisał potok technologiczny, który umożliwił im precyzyjne przetwarzanie, bogate etykietowanie i ostre obrazowanie pełnych półkul mózgów dwóch dawców – jednego z chorobą Alzheimera i jednego bez – w wysokiej rozdzielczości i szybkości. –Przeprowadziliśmy holistyczne obrazowanie ludzkich tkanek mózgowych w wielu rozdzielczościach – od pojedynczych synaps, do całych półkul mózgowych – i udostępniliśmy te dane. Ten potok technologiczny naprawdę pozwala nam analizować ludzki mózg w wielu skalach. Potencjalnie potok ten może być wykorzystany do pełnego mapowania ludzkich mózgów – mówi Kwanghun Chung, prof. nadzw. na Wydziałach Inżynierii Chemicznej oraz Nauk o Mózgu i Poznawczych MIT, członek The Picower Institute for Learning and Memory oraz Institute for Medical Engineering and Science.

Nowe badanie nie przedstawia kompleksowej mapy ani atlasu całego mózgu, w którym każda komórka, obwód i białko są identyfikowane i analizowane, jednak dzięki pełnemu obrazowaniu półkulowemu demonstruje zintegrowany zestaw trzech technologii umożliwiających to i inne od dawna pożądane badania neuronaukowe. Badania pokazują liczne przykłady tego, co umożliwia potok, w tym rozległe obszary tysięcy neuronów w całych regionach mózgu, różnorodne komórki, każdą z osobna, kępki struktur subkomórkowych zagnieżdżonych wśród cząsteczek zewnątrzkomórkowych. Naukowcy przedstawiają również bogatą gamę ilościowych porównań analitycznych skoncentrowanych na wybranym regionie w półkulach z chorobą Alzheimera i bez niej. – Znaczenie możliwości obrazowania całych półkul ludzkiego mózgu w stanie nienaruszonym i z rozdzielczością poszczególnych synaps (maleńkich połączeń, które neurony tworzą w celu utworzenia obwodów) jest dwojakie dla zrozumienia ludzkiego mózgu w zdrowiu i chorobie – dodaje Chung. Umożliwi to naukowcom prowadzenie zintegrowanych badań przy użyciu tego samego mózgu, zamiast np. obserwacji różnych zjawisk w różnych mózgach (a te mogą się znacznie różnić), które następnie posłużą zbudowaniu złożonego obrazu całego systemu.

Kluczową cechą nowego potoku technologicznego jest to, że analiza nie degraduje tkanki. Wręcz przeciwnie – sprawia, że tkanki są trwałe i mogą być wielokrotnie ponownie oznaczane w celu wyróżnienia różnych komórek lub cząsteczek w zależności od potrzeb nowych badań przez potencjalnie wiele lat. W artykule zespół Chunga demonstruje użycie 20 różnych etykiet przeciwciał do wyróżnienia różnych komórek i białek, ale już teraz rozszerza tę liczbę do 100 lub więcej. – Musimy być w stanie zobaczyć wszystkie te różne elementy funkcjonalne – komórki, ich morfologię i łączność, architekturę subkomórkową oraz indywidualne połączenia synaptyczne – najlepiej w tym samym mózgu, biorąc pod uwagę dużą indywidualną zmienność w ludzkim mózgu i cenny charakter próbek ludzkiego mózgu. Ten potok technologiczny naprawdę umożliwia nam wyodrębnienie wszystkich tych ważnych cech z tego samego mózgu w całkowicie zintegrowany sposób – zauważa Chung. Z drugiej strony stosunkowo wysoka skalowalność i przepustowość potoku (obrazowanie całej półkuli mózgu po jej przygotowaniu zajmuje 100 godzin, a nie wiele miesięcy) oznacza, że możliwe jest stworzenie wielu próbek reprezentujących różne płcie, wiek, stany chorobowe i inne czynniki, które mogą umożliwić solidne porównania o zwiększonej mocy statystycznej. Chung przewiduje stworzenie banku w pełni zobrazowanych mózgów, które naukowcy mogliby analizować i ponownie oznaczać w razie potrzeby w nowych badaniach, aby dokonać większej liczby porównań, które on i współautorzy przeprowadzili z półkulami z chorobą Alzheimera i bez niej.

Naukowiec twierdzi, że największym wyzwaniem, przed którym stanął w celu osiągnięcia postępów opisanych w artykule, było zbudowanie w MIT zespołu, w skład którego wchodziło trzech szczególnie utalentowanych młodych naukowców, z których każdy był współautorem artykułu ze względu na ich kluczową rolę w tworzeniu trzech głównych innowacji. Ji Wang, inżynier mechanik i były postdoc, opracował „Megatome” – urządzenie do krojenia nienaruszonych ludzkich półkul mózgowych tak drobno, że nie dochodzi do ich uszkodzenia. Juhyuk Park, inżynier materiałowy i były postdoc, opracował chemię, która sprawia, że każdy plasterek mózgu jest przezroczysty, elastyczny, trwały, rozszerzalny oraz szybko, równomiernie i wielokrotnie znakowany – jest to technologia o nazwie „mELAST”. Webster Guan, były absolwent inżynierii chemicznej MIT z talentem do tworzenia oprogramowania, opracował system obliczeniowy o nazwie „UNSLICE”, który może płynnie łączyć płyty, aby zrekonstruować każdą półkulę w pełnym 3D, aż do precyzyjnego wyrównania poszczególnych naczyń krwionośnych i aksonów nerwowych.

Żadna technologia nie pozwala na obrazowanie całej anatomii ludzkiego mózgu z rozdzielczością subkomórkową bez uprzedniego krojenia go, ponieważ jest on gruby i nieprzezroczysty, ale w „Megatome” tkanka pozostaje nieuszkodzona, ponieważ Wang, która obecnie pracuje w firmie założonej przez Chunga o nazwie LifeCanvas Technologies, zaprojektowała ostrze tak, aby wibrowało z boku na bok szybciej, a jednocześnie szerzej niż poprzednie krajalnice wibracyjne. Wang w tzw. międzyczasie stworzyła również instrument, który idealnie trzyma się w swojej płaszczyźnie. Rezultatem są plastry, które nie tracą informacji anatomicznych w miejscu ich rozdzielenia ani w żadnym innym, a ponieważ wibratom tnie stosunkowo szybko i może ciąć grubsze płaty tkanki – całą półkulę można pokroić w ciągu jednego dnia, a nie miesięcy. W  połączeniu z innymi technologiami inżynierii chemicznej, opracowanymi w ostatnich latach w laboratorium Chunga, próbki mogą być następnie równomiernie i szybko wypełnione etykietami przeciwciał, które podkreślają komórki i białka będące przedmiotem zainteresowania. Autorzy badania donoszą, że przy użyciu mikroskopu z arkuszem świetlnym dostosowanym przez laboratorium całą półkulę można zobrazować aż do pojedynczych synaps w ciągu ok. 100 godzin. Po zobrazowaniu każdej płyty następnym zadaniem jest przywrócenie nienaruszonego obrazu całej półkuli w sposób obliczeniowy. „UNSLICE” Guana robi to w wielu skalach. Aby dalej rejestrować płyty, zespół celowo oznaczył sąsiednie aksony neuronowe różnymi kolorami. Umożliwiło to „UNSLICE” dopasowanie warstw na podstawie śledzenia aksonów.

W badaniu naukowcy przedstawiają listę przykładów tego, co może zrobić potok. Obrazowanie pozwala na bogate oznakowanie całej półkuli, potem powiększenie z szerokiej skali struktur całego mózgu do poziomu obwodów, a następnie pojedynczych komórek, i dalej – składników subkomórkowych, takich jak synapsy. Znakowanie może być różnorodne, ujawniając długie połączenia aksonalne oraz obfitość i kształt różnych typów komórek – nie tylko neuronów, ale także astrocytów i mikrogleju. Przez lata Chung współpracował ze współautorem Matthew Froschem, badaczem choroby Alzheimera i dyrektorem banku mózgów w Massachusetts General Hospital, nad obrazowaniem i zrozumieniem działania mózgów z chorobą Alzheimera. Zaobserwowali, gdzie w obrębie płata tkanki mózgowej jest największa utrata neuronów w próbce z chorobą, w porównaniu z próbką kontrolną. Stamtąd podążali za swoją ciekawością, na co pozwalała im technologia, ostatecznie tworząc serię szczegółowych badań opisanych w artykule. – Nie planowaliśmy tych wszystkich eksperymentów z wyprzedzeniem. Zaczęliśmy od stwierdzenia: „Ok, zróbmy zdjęcie tej płyty i zobaczmy, co zobaczymy”. Zidentyfikowaliśmy obszary mózgu ze znaczną utratą neuronów, więc zobaczmy, co się tam dzieje. Zanurkujmy głębiej. Użyliśmy więc wielu różnych markerów, aby scharakteryzować i zobaczyć relacje między czynnikami chorobotwórczymi a różnymi typami komórek – opisuje Chung.

Większość swoich analiz skupili na korze oczodołowo-czołowej w każdej z półkul. Jedną z wielu obserwacji było to, że utrata synaps koncentrowała się w obszarach, w których bezpośrednio pokrywały się z blaszkami amyloidowymi. Poza obszarami blaszek gęstość synaps była tak samo wysoka w mózgu z chorobą Alzheimera, jak w mózgu bez choroby. Jak mówi Chung, mając tylko dwie próbki, zespół nie wyciąga oczywiście żadnych wniosków na temat natury choroby Alzheimera, ale celem badania jest to, że istnieje obecnie możliwość pełnego obrazowania i dogłębnej analizy całych ludzkich półkul mózgowych, aby umożliwić dokładnie tego rodzaju badania. Warto zauważyć, że technologia ta ma równie dobre zastosowanie do wielu innych tkanek w organizmie, nie tylko mózgu. – Przewidujemy, że ta skalowalna platforma technologiczna przyspieszy nasze zrozumienie funkcji ludzkich narządów i mechanizmów chorobowych, aby pobudzić rozwój nowych terapii – podsumowują autorzy. Jak wygląda obraz komórek zmapowanych przez program „mELAST”, można zobaczyć poniżej.