Ученым швейцарской компании Light Source SLS удалось составить карту участка мозговой ткани в 3D с беспрецедентным разрешением с использованием рентгеновских лучей без разрушения. Этот прорыв преодолевает давний технологический барьер, который ограничивал использование рентгеновских лучей для подобных исследований.
Теперь, когда модернизация SLS завершена, можно получать изображения гораздо более крупных образцов мозговой ткани с высоким разрешением и по-новому взглянуть на их сложную структуру. Исследование, проведенное совместно с Институтом Фрэнсиса Крика в Великобритании, опубликовано в Nature Methods.
Мозг — одна из самых сложных биологических систем в мире.
Адриан Ваннер, руководитель исследовательской группы по структурной нейробиологии, Институт Пауля Шеррера PSI
Его группа пытается выяснить, как нейроны связаны друг с другом. Это область науки, известная как коннектомика.
Он объяснил: «Возьмём печень: мы знаем о существовании примерно 40 типов клеток. Мы знаем, как они расположены. Мы знаем их функции. Этого нельзя сказать о мозге. Поэтому можно задаться вопросом: в чём разница между мозгом и печенью? Если мы посмотрим на клетки мозга и печени, нам будет непросто их различить». У них обоих есть ядро, эндоплазматический ретикулум — у них обоих одинаковый межклеточный механизм, одинаковые молекулы, одинаковые типы белков. Дело не в этом. Разница в том, как организованы и связаны между собой клетки мозга.
Давайте поговорим о цифрах: в одном кубическом миллиметре мозговой ткани содержится около 100 000 нейронов, связанных между собой примерно 700 миллионами синапсов и 4 километрами «кабелей».
То, как эти нейроны связаны друг с другом посредством синапсов, определяет работу мозга. Это связано с такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера. Однако сложность этой трёхмерной структуры чрезвычайно трудно изучить. «Если взять нейронную сеть из 17 нейронов, то способов их соединения будет больше, чем атомов во Вселенной, — говорит Ваннер. — Так что нельзя просто пытаться смоделировать её. Нам нужно её измерить».
Именно на фоне этой огромной проблемы Ваннер и его коллеги из швейцарского источника света SLS - в сотрудничестве с Институтом Фрэнсиса Крика в Великобритании - добились крупного технологического прогресса.
Рентгеновские лучи проникают в ультраструктуру
В настоящее время основным методом получения изображений такого типа является объёмная электронная микроскопия. Поскольку электроны проникают лишь на небольшую глубину, кубические миллиметры тканей мозга необходимо разрезать на десятки тысяч ультратонких срезов. Затем каждый из них исследуется по отдельности, а с помощью вычислительных методов воссоздаётся трёхмерная структура связей нейронов в срезах. Этот процесс очень подвержен ошибкам и неизбежно приводит к потере информации.
Решение кроется в рентгеновских лучах. Они могут проникать на глубину в несколько миллиметров или даже сантиметров и, таким образом, в принципе могут визуализировать участки мозговой ткани без их разделения.
На линии когерентного малоуглового рассеяния рентгеновских лучей SLS, сокращенно известной как cSAXS, рентгеновские лучи высокой яркости позволили получать изображения компьютерных чипов с разрешением всего 4 нанометра - мировой рекорд. "Но для биологических тканей проблема заключается в контрасте", - объясняет Ана Диас, научный сотрудник cSAXS. "Компьютерные чипы изготавливаются из медных проводов, которые, естественно, имеют высокий контраст с материалом, из которого они изготовлены. Когда у нас есть строительные блоки жизни — белки, липиды и так далее — в матрице, в которой преобладает вода, взаимодействие с рентгеновским излучением очень слабое, и добиться высокого разрешения сложнее.»
Чтобы решить эти проблемы, связанные с контрастностью, учёные окрашивают ткани мозга тяжёлыми металлами. Однако они поглощают рентгеновские лучи, что приводит к другой проблеме: образец деформируется. Импрегнирующие материалы могут стабилизировать образец, но у них есть та же проблема: они деформируются под воздействием рентгеновских лучей, образуя пузырьки и разрушая тонкую ультраструктуру тканей мозга.
Смола для аэрокосмической промышленности
Чтобы решить эту проблему, Ваннер, Диас и их коллеги разработали новый подход. Главное новшество — эпоксидная смола, которая способна проникать в биологические ткани и при этом обладает исключительной радиационной стойкостью. Этот материал обычно используется в аэрокосмической и атомной промышленности, а также в ускорителях частиц.
Они дополняют его специально разработанным устройством, которое позволяет получать изображения образцов, охлаждённых до -178 градусов по Цельсию с помощью жидкого азота. Наконец, алгоритм реконструкции компенсирует небольшие деформации, которые всё же возникают.
Благодаря такому подходу исследователи смогли изучить фрагменты мозговой ткани мышей толщиной до 10 микрон, достигнув разрешения в 38 нанометров в трёх измерениях. «Мы считаем, что это рекордное разрешение для рентгеновской визуализации протяжённых биологических тканей», — говорит Диас.
При таком разрешении они смогли достоверно идентифицировать синапсы и другие особенности нейронов и их соединений, такие как аксоны и дендриты. «Это не прорывная информация о мозге: она соответствует лучшим результатам современной объёмной электронной микроскопии — текущего золотого стандарта, — добавляет Ваннер. — Что интересно, это начало чего-то большего».
Когерентное рентгеновское излучение получит импульс благодаря обновлению SLS
Хотя кусочек мозговой ткани толщиной в 10 микрон может показаться крошечным, он уже на несколько порядков толще срезов, изучаемых с помощью электронной микроскопии. В настоящее время ограничивающим фактором для размера образца является время получения данных: сбор достаточного количества данных для получения изображения с высоким разрешением может занять несколько дней. Это узкое место связано с рентгеновскими лучами.
Исследователи используют метод, известный как птихография, — разновидность визуализации, в которой не используются линзы, а применяются когерентные рентгеновские лучи. «Когерентность — это именно то, чего мы добьёмся с помощью модернизации SLS», — говорит Диас.
SLS только что завершил комплексную модернизацию и стал синхротроном 4го поколения — самым современным типом синхротрона в мире. Благодаря технологическим усовершенствованиям на линии пучка cSAXS для экспериментов с птихографией будет доступно в сто раз больше когерентного рентгеновского излучения.
«Если каждую секунду на наш образец будет попадать в сто раз больше рентгеновских фотонов, мы сможем — в принципе — либо получать изображения образца в сто раз быстрее, либо получать изображения в сто раз большего объема, — объясняет Диас. — На практике нам нужно будет научиться делать это эффективно. Но потенциал есть».
Публикация совпадает по времени с важным событием на пучке: в июле 2025 года после модернизации на cSAXS были получены первые рентгеновские снимки. Теперь, когда технические барьеры на пути использования рентгеновской пентихографии для биологической визуализации преодолены, можно изучать гораздо более крупные образцы мозговой ткани в трёхмерном формате с высоким разрешением.
Источник:
Чтобы написать отзыв нужно авторизоватся