Yenilikler

Teknolojiler, tüm insan beyin yarıkürelerinin hücre altı çözünürlükte 3 boyutlu görüntülenmesini sağlar

İnsan beynindeki her şeyi, ne kadar büyük ya da küçük olursa olsun, tamamen sağlam durumdayken gözlemlemek, onlarca yıldır nörobilimin ulaşılmaz bir hayaliydi. Bilim, MIT merkezli bir ekip, biri Alzheimer hastası, diğeri Alzheimer olmayan iki donörün beyin yarımkürelerini yüksek çözünürlük ve hızda ince bir şekilde işlemelerine, zengin bir şekilde etiketlemelerine ve keskin bir şekilde görüntülemelerine olanak tanıyan bir teknoloji hattını anlatıyor.

Picower Öğrenme ve Bellek Enstitüsü Bölümlerinde doçent olan kıdemli ve ilgili yazar Kwanghun Chung, “Tek sinapslardan tüm beyin yarıkürelerine kadar çeşitli çözünürlüklerde insan beyin dokularının bütünsel görüntülemesini gerçekleştirdik ve bu verileri kullanılabilir hale getirdik” dedi. Kimya Mühendisliği ve Beyin ve Bilişsel Bilimler ile MIT Tıp Mühendisliği ve Bilim Enstitüsü. “Bu teknoloji hattı gerçekten insan beynini birden fazla ölçekte analiz etmemizi sağlıyor. Potansiyel olarak bu hat, insan beyninin tam haritasını çıkarmak için kullanılabilir.”

Yeni çalışma, halihazırda her hücrenin, devrenin ve proteinin tanımlandığı ve analiz edildiği, tüm beynin kapsamlı bir haritasını veya atlasını sunmuyor, ancak tam yarıküresel görüntülemeyle, bunu ve diğer uzun süreli işlemleri mümkün kılan üç teknolojinin entegre bir paketini gösteriyor. -Sinirbilim araştırmaları arandı. Araştırma, tüm beyin bölgelerindeki binlerce nörondan oluşan geniş manzaralar, her biri ayrı ayrı ayrıntıya sahip çeşitli hücre ormanları ve hücre dışı moleküller arasında yuvalanmış hücre altı yapı kümeleri dahil olmak üzere, boru hattının mümkün kıldığına dair çok sayıda örnek göstererek bir “kavram kanıtı” sağlıyor. . Araştırmacılar ayrıca Alzheimer hastası olan ve olmayan hemisferlerde seçilen bir bölgeye odaklanan zengin çeşitlilikte niceliksel analitik karşılaştırmalar sunuyor.

Chung, insan beyninin tüm yarıkürelerini sağlam ve bireysel sinapsların (nöronların devre oluşturmak için oluşturduğu ufacık bağlantılar) çözünürlüğüne kadar görüntüleyebilmenin, insan beynini sağlık ve hastalıkta anlamak için iki kat önemli olduğunu söyledi.

Bir yandan, bilim adamlarının, örneğin farklı beyinlerdeki önemli ölçüde değişiklik gösterebilen farklı fenomenleri gözlemlemek ve ardından bütünün bileşik bir resmini oluşturmaya çalışmak zorunda kalmak yerine, aynı beyni kullanarak soruların entegre araştırmalarını yürütmelerine olanak tanıyacak. sistem. Yeni teknoloji hattının önemli bir özelliği, analizin dokuyu bozmamasıdır. Aksine, dokuları son derece dayanıklı hale getiriyor ve potansiyel olarak yıllar boyunca yeni çalışmalar için ihtiyaç duyulan farklı hücreleri veya molekülleri vurgulamak için tekrar tekrar yeniden etiketlenebilir hale getiriyor. Makalede Chung’un ekibi, farklı hücreleri ve proteinleri vurgulamak için 20 farklı antikor etiketinin kullanıldığını gösteriyor ancak bunu halihazırda yüz veya daha fazlasına kadar genişletiyorlar.

“Tüm bu farklı fonksiyonel bileşenleri (hücreler, onların morfolojileri ve bağlantıları, hücre altı mimarileri ve bireysel sinaptik bağlantıları) ideal olarak aynı beyin içinde, insan beynindeki yüksek bireysel değişkenlikleri göz önünde bulundurarak görebilmemiz gerekiyor. Chung, “İnsan beyni örneklerinin değerli doğası” dedi. “Bu teknoloji hattı, tüm bu önemli özellikleri aynı beyinden tamamen entegre bir şekilde çıkarmamıza gerçekten olanak tanıyor.”

Öte yandan, boru hattının nispeten yüksek ölçeklenebilirliği ve verimi (hazırlandıktan sonra tüm beyin yarıküresinin görüntülenmesi aylar yerine 100 saat sürer), farklı cinsiyetleri, yaşları, hastalık durumlarını ve diğerlerini temsil edecek birçok örnek oluşturmanın mümkün olduğu anlamına gelir. Artan istatistiksel güçle sağlam karşılaştırmalara olanak tanıyan faktörler. Chung, kendisinin ve ortak yazarların yeni araştırmada Alzheimer’lı ve Alzheimer olmayan hemisferlerle daha fazla karşılaştırma yapabilmesi için araştırmacıların analiz edebileceği ve yeni çalışmalar için gerektiğinde yeniden etiketleyebileceği, tamamen görüntülenmiş beyinlerden oluşan bir beyin bankası oluşturmayı hayal ettiğini söyledi. kağıt.

Üç önemli yenilik

Chung, makalede açıklanan ilerlemeleri elde etmede karşılaştığı en büyük zorluğun, MIT’de, her biri üç büyük yeniliğin üretilmesindeki kilit rolleri nedeniyle makalenin ortak yazarlarından biri olan, özellikle yetenekli üç genç bilim insanından oluşan bir ekip oluşturmak olduğunu söyledi. Makine mühendisi ve eski doktora sonrası araştırmacısı Ji Wang, sağlam insan beyninin hemisferlerini hiçbir zarar vermeyecek kadar ince dilimleyen bir cihaz olan “Megatome”u geliştirdi. Malzeme mühendisi ve eski doktora sonrası araştırmacısı Juhyuk Park, her beyin dilimini net, esnek, dayanıklı, genişletilebilir ve hızlı, eşit ve tekrar tekrar etiketlenebilir hale getiren kimyayı geliştirdi; “mELAST” adı verilen bir teknoloji. Yazılım geliştirme becerisine sahip eski bir MIT kimya mühendisliği yüksek lisans öğrencisi olan Webster Guan, her bir yarıküreyi tam 3 boyutlu olarak yeniden oluşturmak ve bireysel kan damarları ile sinir aksonlarının hassas hizalanmasına kadar dilimleri kusursuz bir şekilde yeniden birleştirebilen “UNSLICE” adlı bir hesaplama sistemi yarattı. (diğer nöronlarla bağlantı kurmak için uzattıkları uzun şeritler).

Hiçbir teknoloji, insan beyni anatomisinin tamamını önce dilimlemeden hücre altı çözünürlükte görüntülemeye izin vermez çünkü çok kalındır (fare beyninin hacminin 3000 katıdır) ve opaktır. Ancak Megatome’da doku hasar görmeden kalıyor çünkü şu anda Chung’un kurduğu LifeCanvas Technologies adında bir şirkette çalışan Wang, bıçağını yan yana daha hızlı titreşecek ve yine de önceki vibratom dilimleyicilerden daha geniş tarayacak şekilde tasarladı. Chung, bu arada aynı zamanda enstrümanı kendi düzleminde mükemmel bir şekilde kalacak şekilde hazırladığını söyledi. Sonuç olarak, ayrıldıklarında veya başka herhangi bir yerde anatomik bilgileri kaybetmeyen dilimler elde edilir. Vibratom nispeten hızlı kestiğinden ve daha kalın (ve dolayısıyla daha az) doku dilimlerini kesebildiğinden, yarım kürenin tamamı aylar yerine bir günde dilimlenebilir.

Boru hattındaki levhaların daha kalın olmasının ana nedeni mELAST’tan gelmektedir. Park, beyin örneğini besleyen hidrojeli, onu optik olarak berrak, neredeyse yok edilemez, sıkıştırılabilir ve genişletilebilir hale getirecek şekilde tasarladı. Son yıllarda Chung’un laboratuvarında geliştirilen diğer kimya mühendisliği teknolojileri ile birleştirildiğinde, numuneler daha sonra ilgili hücreleri ve proteinleri vurgulayan antikor etiketleriyle eşit ve hızlı bir şekilde aşılanabiliyor. Araştırmanın yazarları, laboratuvarın özelleştirilmiş bir ışık levhası mikroskobu kullanarak, yaklaşık 100 saat içinde tüm yarımkürenin tek tek sinapslara kadar görüntülenebileceğini bildirdi. Park şu anda Güney Kore’deki Seul Ulusal Üniversitesi’nde yardımcı doçent olarak görev yapıyor. Park, “Dokuların fizikokimyasal özelliklerine ince ayar yapan bu gelişmiş polimerik ağ, sağlam insan beyninin çoklu ölçeklerde görüntülenmesini mümkün kıldı” dedi.

Her bir levhanın görüntüsü alındıktan sonra görev, tüm yarıkürenin sağlam bir resmini hesaplamalı olarak yeniden oluşturmaktır. Guan’ın UNSLICE’ı bunu birçok ölçekte yapıyor. Örneğin orta veya “mezo” ölçekte, bitişik katmanlardan bir katmana gelen kan damarlarını algoritmik olarak izler ve bunları eşleştirir. Ancak aynı zamanda daha ince bir yaklaşım gerektirir. Ekip, levhaları daha fazla kaydetmek için, komşu nöral aksonları bilinçli olarak farklı renklerde (bir elektrik tesisatındaki teller gibi) etiketledi. Chung, bunun UNSLICE’ın aksonları takip ederek katmanları eşleştirmesine olanak sağladığını söyledi. Guan da artık LifeCanvas’ta.

Araştırmada araştırmacılar boru hattının neler yapabileceğine dair bir dizi örnek sunuyor. İlk şekil, görüntülemenin, kişinin tüm yarıküreyi zengin bir şekilde etiketlemesine ve ardından beyin çapındaki yapıların geniş ölçeğinden devre düzeyine, ardından tek tek hücrelere ve ardından sinapslar gibi hücre altı bileşenlere kadar yakınlaştırma yapmasına olanak sağladığını göstermektedir. Diğer görüntüler ve videolar, etiketlemenin ne kadar çeşitli olabileceğini gösteriyor; uzun aksonal bağlantıları ve yalnızca nöronları değil aynı zamanda astrositleri ve mikrogliaları da içeren farklı hücre türlerinin bolluğunu ve şeklini ortaya koyuyor.

Alzheimer’ı keşfetmek

Chung, Alzheimer hastalığı olan beyinleri görüntülemek ve anlamak için yıllardır Alzheimer araştırmacısı ve Massachusetts Genel Hastanesi’ndeki beyin bankasının yöneticisi olan ortak yazar Matthew Frosch ile işbirliği yaptı. Yeni boru hattının kurulmasıyla birlikte, açık uçlu bir araştırmaya başladılar; ilk olarak, kontrole kıyasla hastalık örneğinde en fazla nöron kaybını bir doku parçasının neresinde gördüklerini fark ettiler. Oradan, teknolojinin onlara izin verdiği ölçüde meraklarını takip ettiler ve sonuçta makalede açıklanan bir dizi ayrıntılı araştırmayı ürettiler.

Chung, “Tüm bu deneyleri önceden planlamadık” dedi. “‘Tamam, hadi bu levhayı görüntüleyelim ve ne gördüğümüzü görelim’ diyerek başladık. Önemli nöron kaybı olan beyin bölgelerini belirledik, o yüzden orada neler olduğunu görelim. ‘Daha derine inelim.’ Bu nedenle patojenik faktörler ile farklı hücre tipleri arasındaki ilişkileri karakterize etmek ve görmek için birçok farklı belirteç kullandık.

Chung, “Bu boru hattı dokuya neredeyse sınırsız erişime sahip olmamızı sağlıyor” dedi. “Her zaman geriye dönüp yeni bir şeye bakabiliriz.”

Analizlerinin çoğunu her yarımküredeki orbitofrontal kortekse odakladılar. Yaptıkları birçok gözlemden biri, sinaps kaybının, amiloid plaklarla doğrudan örtüşen alanlarda yoğunlaştığıydı. Plak alanlarının dışında, Alzheimer hastası beyinde sinaps yoğunluğu, hastalıksız beyindeki kadar yüksekti.

Chung, ekibin yalnızca iki örnekle Alzheimer hastalığının doğası hakkında elbette herhangi bir sonuç sunmadığını söyledi, ancak çalışmanın amacı, tam olarak mümkün kılmak için tüm insan beyin yarımkürelerini tam olarak görüntüleme ve derinlemesine analiz etme yeteneğinin artık mevcut olmasıdır. bu tür bir araştırma.

Teknolojinin sadece beyne değil vücuttaki diğer birçok dokuya da eşit derecede iyi uygulanabilmesi dikkat çekicidir.

Yazarlar, “Bu ölçeklenebilir teknoloji platformunun, yeni tedavilerin geliştirilmesini teşvik etmek için insan organ fonksiyonları ve hastalık mekanizmalarına ilişkin anlayışımızı ilerleteceğini öngörüyoruz” dedi.

Park, Wang, Guan, Chung ve Frosch’un yanı sıra gazetenin diğer yazarları Lars A. Gjesteby, Dylan Pollack, Lee Kamentsky, Nicholas B. Evans, Jeff Stirman, Xinyi Gu, Chuanxi Zhao, Slayton Marx, Minyoung E. Kim’dir. , Seo Woo Choi, Michael Snyder, David Chavez, Clover Su-Arcaro, Yuxuan Tian, ​​Chang Sin Park, Qiangge Zhang, Dae Hee Yun, Mira Moukheiber, Guoping Feng, X. William Yang, C. Dirk Keene, Patrick R. Hof , Satrajit S. Ghosh ve Laura J. Brattain.

Çalışmanın ana finansmanı Ulusal Sağlık Enstitüleri, Picower Öğrenme ve Hafıza Enstitüsü, JPB Vakfı ve NCSOFT Kültür Vakfı’ndan geldi.

Kaynak ve İleri Okuma: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/06/240613161138.htm

İlgili Makaleler

Başa dön tuşu