惊人的新技术图像阿尔茨海默氏症的大脑在各个层面上都发生了变化,同时发生

研究人员将不再需要在研究单个人脑作为碎片图像的拼凑或遥远的,大型结构的像素化视图.

相反,由美国团队开发的一种新的成像平台将脑细胞的更精细的细节、它们的连接和内容与支撑大脑整体结构的整个神经元网络的全脑图谱无缝地结合在一起。

大脑生物学的这些元素存在于截然不同的尺度上,从纳米级突触间隙厘米长的大脑区域,到目前为止,这需要来自多个大脑的多个样本,以便在不同平台上使用各种技术进行分析。

在首次在人体组织上展示的用途中,对两个整个大脑进行成像,该平台揭示了一个人的大脑中的明显变化阿尔茨海默氏症疾病。

新平台包括三个核心元素,分别以“前所未有的分辨率和速度”对脑组织进行切片、处理和成像。根据研究开发它的团队,由麻省理工学院(MIT)的化学工程师Kwanghun Chung领导。

一片脑组织可逆地转化为用于成像的弹性水凝胶。(Park 等人,科学,2024 年)

首先,一种创新设备将脑组织切成几部分。它使用精心调整的振动来避免磨损,将细胞干净地分离成令人难以置信的薄片,而不会错位它们的连接。

然后,一种化学技术可逆地将这些组织切片转化为有弹性的、可膨胀的组织水凝胶,使其成熟抗体蛋白质和其他内部物质的标记和高分辨率成像。

最后,计算工具将切片的组织“缝合”在一起,并绘制单个细胞之间的连接。然后,单个脑细胞的这些“投射组”可以与捕获每个细胞中表达的分子的配置文件集成。

对照组的眶额叶皮层和阿尔茨海默氏症大脑样本的比较:在第 2 轮标记中,阿尔茨海默氏症样本(下行)中可以看到更多的 β 淀粉样蛋白。p 也是如此hosphorylatedTau 在第 5 轮。(Chung Lab/麻省理工学院)

“我们需要能够看到所有这些不同的功能成分——细胞、它们的形态和连接性、亚细胞结构以及它们的单个突触连接——最好是在同一个大脑中”,以便能够比较整个大脑并发现个体差异,涌。

“这项技术管道确实使我们能够以完全集成的方式从同一个大脑中提取所有这些重要特征。

组织转动的水凝胶轻轻地给组织切片充气,以便可以清楚地成像;泵稳定地向组织注入荧光染料,以在整个器官上产生一致的染色。

在令人眼花缭乱的平台成像能力展示中,研究人员提供了一些例子,他们标记了一个完整的大脑半球,然后放大以拍摄细胞电路的快照,然后是单个细胞及其在连接端的连接,称为突 触.

至于该平台如何重建多个组织切片的这些连接,该计算机工具有一种算法,可以匹配离开一层并进入相邻层的血管,并跟踪相邻神经元的延伸,称为轴 突.

综上所述,研究人员对两个慷慨的捐赠者的整个大脑进行了成像,一个患有阿尔茨海默病,另一个没有。

他们发现了阿尔茨海默氏症的常见病理特征,包括淀粉样斑块和 tau 缠结和萎缩的脑细胞,但它们的成像也捕捉到了一些更细微的差异。

一个健康大脑(左)的眶额叶皮层中的细胞层与阿尔茨海默病供体(右)的比较。(Park等人,科学, 2024)

阿尔茨海默氏症患者的脑细胞轴突肿胀。富含tau蛋白和淀粉样蛋白的区域的脑细胞也失去了保护性髓鞘覆盖物,并从邻居中撤出。

该团队“支持神经影像学研究,这些研究表明阿尔茨海默病晚期眶额叶皮层的连通性受到严重损害”在他们的论文中写道.

然而,这个图库只代表了两个大脑的一个快照。

科学家们已经产生了一些非常详细的图像最近,放大了一立方毫米的脑组织,这是一项长达十年的努力,最终产生了 1.4 PB 的数据。

在阿尔茨海默氏症等疾病中,对大脑在缓慢退化时如何变化进行成像是一项艰巨的任务,因为研究人员经常使用在某人生命结束时捐赠的死后脑组织,或者依赖传统的全脑扫描核磁共振成像,希望在疾病发作之前检测变化.

目前还不清楚该平台如何适应脑成像技术进展这些正在迅速展开,但该团队乐观地认为,他们的系统将有助于刺激新疗法的开发,并最大限度地从有价值的供体组织中提取信息量。

“这条管道使我们能够几乎无限制地接触组织,”Chung.“我们总是可以回去看看新的东西。”

该研究已发表在科学.

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