Ученые «увеличили» мозг в 16 раз для карты нейронов с высочайшей детализацией

Фото из открытых источников

Расшифровка мозговой проводки — одна из самых сложных задач нейробиологии. Один кубический миллиметр мозговой ткани содержит тысячи микроскопических нейронов и миллионы соединений между ними, известных как синапсы. Но в новом исследовании, опубликованном в Nature, ученые предлагают умный подход: вместо того, чтобы пытаться «увидеть» крошечные клеточные структуры в куске мышиного мозга, можно просто сделать их больше.

До сих пор исследователи картировали синапсы, разрезая мозговую ткань и визуализируя ее с помощью электронных микроскопов, которые выявляют структуру образца на основе того, как он взаимодействует с сфокусированным пучком электронов. Но этот подход дорогой, и он не может идентифицировать молекулярные компоненты, которые придают каждому нейрону его уникальную идентичность.

Поэтому ученые обратились к методу, называемому микроскопией расширения, в котором образец ткани помещается в гелеобразный материал. При добавлении воды этот гидрогель набухает во всех направлениях, раздвигая клеточные структуры, сохраняя их относительное положение. Команда разработала новую формулу гидрогеля, которая могла бы сохранять точные пропорции структур в ткани мозга мыши, но расширять ее примерно в 16 раз по сравнению с первоначальным размером — достаточно большим, чтобы проанализировать ее с помощью традиционного светового микроскопа в мельчайших деталях.

Исследователи использовали флуоресцентные красители для маркировки всех белков нейронов, а также определенных молекул, которые нейроны используют для коммуникации. Затем они использовали алгоритмы глубокого обучения для реконструкции трехмерной архитектуры участка коры мозга мыши (как показано на видео выше). Новый метод, называемый коннектомикой на основе световой микроскопии, выявляет детали размером до 20 нанометров. Это более высокое разрешение, которое ранее было невозможно при микроскопии расширения, и достаточно хорошее, чтобы разрешить отдельные синапсы.

Исследователи говорят, что эта мощная, экономически эффективная альтернатива электронной микроскопии открывает двери для большего числа лабораторий для картирования мозговых цепей с молекулярными подробностями. Это может ускорить прорывы в понимании того, как работает мозг и как он выходит из строя при болезнях.