Изображение мозга мыши от микроскопического до макроскопического

Исследователи из Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) использовали существующие передовые методы рентгеновской микроскопии, чтобы преодолеть разрыв между МРТ (магнитно-резонансной томографией) и электронной микроскопией, создав жизнеспособный трубопровод для многомасштабного целого. изображения головного мозга в одном и том же мозге. Демонстрация доказательства концепции включала визуализацию всего мозга мыши с разрешением пяти порядков, шаг, который, по словам исследователей, позволит лучше связать существующие подходы к визуализации и выявить новые детали о структуре мозга.

Прогресс, опубликованный 9 июня в NeuroImage , позволит ученым подключать биомаркеры на микроскопическом и макроскопическом уровнях, улучшая разрешение МРТ-изображений и обеспечивая больший контекст для электронной микроскопии.

«Наша лаборатория действительно заинтересована в картировании мозга в нескольких масштабах, чтобы получить объективное описание того, как выглядит мозг», — сказал старший автор Нараянан «Бобби» Кастури, доктор медицины, доцент нейробиологии в Калифорнийском университете в Чикаго и исследователь нейробиологии в Аргонне. «Когда я поступил на факультет, я первым делом узнал, что в Аргонне есть чрезвычайно мощный рентгеновский микроскоп, который еще не использовался для картирования мозга , поэтому мы решили попробовать».

В микроскопе используется тип визуализации, называемый рентгеновской томографией на основе синхротрона, которую можно сравнить с «микро-КТ» или сканированием на микрокомпьютерной томографии. Благодаря мощному рентгеновскому излучению, производимому синхротронным ускорителем частиц в Аргонне, исследователи смогли получить изображение всего мозга мыши — примерно один кубический сантиметр — с разрешением в микрон, 1/10 000 сантиметра. На получение изображений всего мозга ушло около шести часов , что в сумме составляет около 2 терабайт (ТБ) данных. Это один из самых быстрых подходов к визуализации всего мозга с таким разрешением.

МРТ может быстро отобразить весь мозг для отслеживания нейронных трактов, но разрешения недостаточно для наблюдения за отдельными нейронами или их связями. С другой стороны, электронная микроскопия (ЭМ) может выявить детали отдельных синапсов, но генерирует огромное количество данных, что затрудняет с вычислительной точки зрения просмотр кусочков ткани мозга, размер которых превышает несколько микрометров. Существующие методы изучения нейроанатомии с микрометрическим разрешением обычно являются либо просто двумерными, либо используют протоколы, несовместимые с МРТ или ЭМ-визуализацией, что делает невозможным использование одной и той же ткани мозга для визуализации во всех масштабах.

Исследователи быстро поняли, что их новый подход к микро-КТ или мкКТ может помочь преодолеть существующий пробел в разрешении. «Было проведено множество исследований изображений, в которых люди использовали МРТ, чтобы посмотреть на весь уровень мозга, а затем попытаться подтвердить эти результаты с помощью ЭМ, но есть разрыв в разрешениях», — сказал первый автор Шон Фоксли, доктор философии, Доцент-исследователь в Калифорнийском университете в Чикаго. «Трудно что-либо сказать о большом объеме ткани, которую вы видите с помощью МРТ, когда смотрите на набор данных ЭМ, и рентгеновский снимок может восполнить этот пробел. Теперь у нас, наконец, есть что-то, что позволяет нам смотреть на всех уровнях разрешения без проблем «.