Нейробиология прорыв: как новое изображение мозга раскрывает тайну Альцгеймера

До сих пор мы изучали мозг либо в целом виде, но без деталей, либо в мельчайших фрагментах, теряя общую картину. Учёные из Массачусетского технологического института, кажется, нашли выход. Они разработали процесс, который позволяет получить изображение целого полушария мозга с таким разрешением, что можно разглядеть отдельные клетки, синапсы и даже межклеточные структуры. И всё это — не разрушая ткань. Один образец можно изучать бесконечно.

«Мы выполнили целостную визуализацию тканей головного мозга человека с разным разрешением — от синапсов до целых полушарий — и сделали эти данные доступными», — говорит ведущий автор работы Кванхун Чанг. Статья об этом прорыве опубликована в журнале Science.

Пока это не полная карта мозга, где каждая клетка подписана. Но исследователи показали, что три объединённые технологии делают такую карту возможной. И самое удивительное — скорость: создание изображения всего полушария занимает около 100 часов, а не долгие месяцы, как раньше. Представляете, какие перспективы это открывает?

Представления в различных масштабах двух типов нейронов (экспрессирующих кальретинин голубого цвета и экспрессирующих соматостатин пурпурного цвета) в префронтальной коре головного мозга человека. Chung Lab/MIT Picower Institute

Ключевая фишка — неразрушающий анализ. Ткань остаётся неповреждённой, и её можно использовать для множества последующих исследований. А скорость обработки позволяет создать целый банк изображений мозга разных людей: разного пола, возраста, с разными заболеваниями. Такая библиотека станет золотой жилой для сравнительного анализа и машинного обучения. Чанг уже мечтает о таком открытом ресурсе, который исследователи со всего мира смогут изучать и аннотировать.

Многочисленные антитела маркируют клеточные и молекулярные компоненты (разными цветами) в орбитофронтальной коре головного мозга донора с болезнью Альцгеймера. Chung Lab/MIT Picower Institute

Три ключевых идеи

Самой сложной задачей, по словам Чанга, оказалось собрать подходящую команду. В неё вошли три талантливых учёных, каждый из которых принёс своё гениальное решение.

Цзи Ван, инженер-механик, создала устройство под названием Megatome. Оно нарезает полушария мозга на тончайшие срезы с такой ювелирной точностью, что, если их сложить обратно, они практически срастутся. Никаких повреждений.

Джухёк Пак, инженер-материаловед, разработал специальную химию — технологию mELAST. Его гидрогель делает мозговые срезы прозрачными, гибкими и прочными. А потом их можно быстро и равномерно пропитать метками-антителами, которые подсвечивают нужные клетки и белки.

Вебстер Гуан придумал вычислительную систему UNSLICE. Она собирает все эти тончайшие срезы обратно в единое целое, создавая трёхмерную реконструкцию полушария, где даже мельчайшие кровеносные сосуды и нервные волокна (аксоны) точно соединяются.

Получить изображение целого мозга без разрезания пока невозможно. Но эта команда свела неизбежные потери при нарезке и сборке к абсолютному минимуму. С помощью настроенного светового микроскопа полное полушарие можно отсканировать до уровня синапсов всего за 100 часов. Это невероятно быстро!

А что это даёт науке? Самый наглядный ответ — исследование болезни Альцгеймера.

Болезнь Альцгеймера

Чанг давно сотрудничал с экспертом по Альцгеймеру Мэтью Фрошем. Их цель — увидеть, что именно происходит в больном мозге. Новая технология позволила начать эту работу.

«Мы не планировали все эксперименты заранее, — признаётся Чанг. — Мы просто начали с того, что сказали: "Ладно, давайте визуализируем этот срез и посмотрим, что там". Мы нашли области с массовой потерей нейронов и решили копнуть глубже».

Сосредоточившись на орбитофронтальной коре, учёные сделали интересное наблюдение: потеря синапсов концентрировалась именно там, где скапливались амилоидные бляшки — те самые белковые «клубки», которые считаются визитной карточкой Альцгеймера. А вот за пределами этих зон плотность связей между нейронами оставалась такой же высокой, как и в здоровом мозге. Интригующе, не правда ли?

Конечно, с двумя образцами делать глобальные выводы рано. Но суть прорыва в другом: теперь у нас есть инструмент, чтобы полностью отображать целые полушария и проводить глубокие сравнительные исследования. И эта технология применима не только к мозгу, но и к другим органам. «Мы надеемся, что эта платформа улучшит наше понимание работы органов и механизмов болезней, что ускорит разработку новых методов лечения», — заключают авторы. Будущее медицины, где болезни будут изучать целиком, а не по кусочкам, стало на шаг ближе.