Мозг – это мягкий, жирный орган бежевого цвета, покрытый бороздками и выступами. На первый взгляд он выглядит не так уж и впечатляюще.
Но под ним скрывается до 100 миллиардов нейронов и 100 триллионов синапсов – связей между нейронами, которые образуют сети, – плотно упакованных в мягкий трехфунтовый орган, который контролирует наши мысли, чувства, движения, воспоминания и самоощущение.
Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) представили новую платформу для картирования мозга , которая позволяет с беспрецедентной скоростью и точностью исследовать анатомию больших участков человеческого мозга. Эта инновационная технология существенно сокращает время, необходимое для создания детализированных карт мозга, с нескольких недель или месяцев до нескольких дней.
На протяжении последних двух десятилетий исследователи трудились над созданием подробных карт мозга, разрезая его на тончайшие слои и анализируя структуру клеток, их связи и генную экспрессию. Такие карты, подобные “Google Maps” для мозга, помогают понимать функции мозга, связывая генетические выражения с функциями клеток, сетевыми связями и поведением.
До недавнего времени основное внимание уделялось картированию мозга грызунов и других животных, так как создание карты человеческого мозга представляло собой чрезвычайно сложную и трудоёмкую задачу. Однако, разработка новой платформы значительно облегчила этот процесс.
Платформа, разработанная командой MIT, позволяет с высокой скоростью и разрешением снимать крупные срезы человеческого мозга. В ходе экспериментов учёные использовали систему для создания изображений мозга пациента с болезнью Альцгеймера, предварительно увеличив ткани мозга с помощью гидрогеля. Автоматизированная система разрезала, снимала и объединяла изображения, выявляя многочисленные клеточные изменения и проблемы с нейронными связями, включая воспаление.
Одним из ключевых компонентов новой платформы является устройство под названием MEGAtome, которое позволяет разрезать большие и мягкие образцы человеческого мозга без повреждений. Это устройство вибрирует на более высоких частотах, чем стандартные приборы, что снижает вероятность искажений и угловых разрезов, делая возможным точное выравнивание нейронных связей.
После разрезания образцы обрабатываются, чтобы сделать детали мозга более видимыми под микроскопом. Ткани мозга встраиваются в гидрогель, что позволяет им выдерживать механическое давление и сохранять форму. В одном из экспериментов команда разрезала половину человеческого мозга на 40 толстых срезов за 8 часов, что демонстрирует высокую эффективность новой системы.
Для идентификации клеток учёные окрашивали каждый срез различными красителями, которые выделяют разные типы белков, тем самым подчеркивая различные типы клеток мозга. В результате удалось получить изображения на уровне синапсов за 6 часов.
Кроме того, разработано программное обеспечение, которое помогает выравнивать и объединять изображения, используя кровеносные сосуды как ориентиры и детализируя нейронные связи. Новая методика позволяет проводить многократное окрашивание одного и того же образца, что помогает фиксировать множественные изменения белков на клеточном уровне.
В качестве демонстрации возможностей новой платформы учёные проанализировали мозг здорового донора и мозг пациента с болезнью Альцгеймера. В результате в мозге пациента с Альцгеймером было обнаружено на 46,5% меньше нейронов и повышенное воспаление, что свидетельствует о нарушении связей между нейронами.
Новая платформа MIT открывает новые возможности для изучения мозга не только у людей, но и у животных, таких как свиньи и приматы. Это поможет лучше понять нейронные сети мозга и их изменения при различных заболеваниях.