Почему световая микроскопия так важна для исследований мозга?

Контент от Bruker Nano Surfaces and Metrology 
Проверено Луи Кастелем                                                                                                                                                26 августа 2025 г.

Мозг — самый энергозатратный орган в организме, отчасти из-за своей сложности. Его компоненты разнообразны и сложны: они состоят из различных типов клеток, включая нейроны, предназначенные для передачи информации, иммунные клетки, предназначенные для защиты функций мозга, астроциты, предназначенные для регулирования химического состава, и глиальные клетки, предназначенные для обеспечения структурной и функциональной поддержки.

На общую функциональность, здоровье и гомеостаз мозга также влияют неклеточные компоненты, такие как (г)лимфатическая система и спинномозговая жидкость (ликвор). Мозг стал ключевой областью научных исследований, в том числе благодаря своей жизненно важной роли в организме.1

Микроскопия световых листов помогает решить ряд проблем, связанных с визуализацией головного мозга. Она позволяет исследователям изучать широкий спектр тканей и структур головного мозга, включая органоиды, глаза, спинной мозг и периферическую нервную систему.

Проблемы с визуализацией головного мозга

Из-за сложной структуры мозга его крайне трудно изучать.

Поскольку в органе работает бесчисленное множество клеток, часто приходится выбирать между получением изображений с высоким разрешением и возможностью визуализировать весь мозг. Ещё сложнее визуализировать мозг на неэмбриональных стадиях, особенно у людей и других позвоночных, из-за окружающей его костной ткани.

Достижения в области визуализации часто являются результатом развития технологий. Например, в медицине функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) является одним из золотых стандартов визуализации головного мозга человека.2

Глубокое обучение и искусственный интеллект оказывают огромное влияние на медицинскую визуализацию, стремительно развивая эту область благодаря своим возможностям сбора и анализа данных.3

При работе с биомедицинскими и доклиническими моделями часто приходится менять методы подготовки образцов, например увеличивать размер мозга. Проблемы с разрешением можно решить, физически увеличив размер мозговой ткани, то есть увеличив размер образца, а не уменьшив разрешение.

Рисунок 1. Нейроны трансгенной мыши, экспрессирующей флуоресцентный белок YFP. Мозг был очищен с помощью Clarity. Изображение предоставлено доктором Чжан Дань, Университет Цинхуа, Китай.

Ещё одной проблемой при визуализации мозга является его непрозрачность у большинства организмов. Это ограничивает проникновение света и затрудняет получение чётких изображений за пределами поверхности.

Очистка тканей помогает решить проблему непрозрачности мозга, делая ткани прозрачными и позволяя свету проникать глубже. Этот метод позволяет детально визуализировать внутренние структуры мозга, в том числе сложные нейронные сети.4

Нейробиология против нейродевелопмента

Двумя наиболее интересными областями исследований мозга являются его развитие и нейробиология.

Исследования в области развития мозга посвящены изучению процессов формирования и созревания мозга на разных этапах жизни. Они дают ключевое представление о том, как нарушения в работе мозга могут быть вызваны аномалиями в процессе развития.

Исследования в области нейробиологии направлены на изучение функций мозга, в том числе процессов принятия решений, памяти и сенсорного восприятия. Они также включают в себя изучение нейропластичности, нейромедиаторов и нейрохимии. Глубокое понимание нейробиологии необходимо для диагностики и лечения широкого спектра неврологических заболеваний.

Световая флуоресцентная микроскопия для визуализации мозга

Световая флуоресцентная микроскопия (СФМ) — чрезвычайно эффективный инструмент для визуализации головного мозга, обладающий рядом практических преимуществ в нейробиологических исследованиях. К его ключевым особенностям относятся пониженная фототоксичность, глубина проникновения и способность визуализировать быстрые процессы.

Универсальность LSFM становится очевидной, если рассмотреть его применение для визуализации в реальном времени динамических процессов, таких как долгосрочные изменения в развитии мозга или динамика кальция. Он также идеально подходит для визуализации очищенных и расширенных тканей, обеспечивая разрешение на клеточном уровне для всего мозга.

Морфогенез заднего мозга

В исследовании, посвящённом роли Notch-3 в нейрогенной судьбе границ заднего мозга, использовались сложные методы покадровой визуализации и анализа данных, которые позволили выделить определённые пограничные клетки во время морфогенеза заднего мозга в зависимости от передачи сигналов Notch-3.7

В этом исследовании для анализа клеточных линий использовался многоканальный микроскоп с селективным освещением в плоскости (MuVi SPIM) компании Bruker.

Визуализация за пределами мозга: глаз

Исследования в области офтальмологии играют ключевую роль в понимании причин потери зрения и предотвращении этого, но они также часто используются для изучения мозга. Это связано с тем, что, несмотря на периферийное расположение глаза, он является гораздо более доступной частью мозга.

Глаза и мозг имеют много общего в том, что касается типов клеток, их функций и межклеточных взаимодействий. Глаз является бесценной моделью для изучения фундаментальных биологических процессов благодаря своему структурному и функциональному сходству с мозгом. Исследования глаза важны не только сами по себе, но и как связующее звено с более масштабными исследованиями в области неврологии.

Рисунок 3. Динамика микроглии и макрофагов после фотоманипуляции. Изображение предоставлено доктором Гордоном Вангом, Стэнфордский университет, США.

Субклеточная динамика сетчатки мыши

С помощью MuVi SPIM была получена трёхмерная визуализация сетчатки глаза мыши для изучения субклеточных аппаратов Гольджи и морфологии пучков.9

Рисунок 4. Для изучения субклеточных компонентов и клеточной поляризации использовалась световая флуоресцентная микроскопия. (c) Сетчатка, окрашенная антителами к кровеносным сосудам с использованием анти-CD31 (Alexa 555), ядрам сосудов с использованием анти-Erg (alexa488) и аппарату Гольджи с использованием анти-Golgi (Golph4, Alexa 647). (d) Сетчатка, окрашенная коллагеном IV. (e) Изображение, демонстрирующее выровненную клеточную поляризацию. Рис. 1 — дополнительное изображение 1, воспроизведенное по лицензии CC BY 4.0 DEED.9 Изображение предоставлено компанией Bruker Nano Surfaces and Metrology

Рисунок 5. Световая флуоресцентная микроскопия показывает трёхмерную морфологию сосудистых пучков. Ингибирование mTOR с помощью эверолимуса приводит к образованию высокоактивных филоподий и чашеобразной морфологии сосудистых пучков. Рисунок 6 — дополнительное изображение 3, воспроизведённое по лицензии CC BY 4.0 DEED.9 Изображение предоставлено компанией Bruker Nano Surfaces and Metrology

Визуализация за пределами мозга: спинной мозг

Спинной мозг играет важную роль в передаче сигналов между головным мозгом и остальными частями тела, влияя на такие важные функции, как чувствительность, движение и контроль органов.

Достижения в области исследований спинного мозга могут привести к появлению новых методов лечения пациентов с травмами спинного мозга, неврологическими расстройствами и параличом.10

Визуализация периферической нервной системы

Изучая периферическую нервную систему (ПНС), ученые могут получить беспрецедентный доступ к мельчайшим деталям строения периферических нервов. Это помогает составить карту структурных особенностей нервных волокон и визуализировать динамические процессы, необходимые для лучшего понимания функций нервной системы.

Биомедицинская визуализация помогает выявить связи между периферической нервной системой (ПНС) и головным мозгом. Она позволяет исследователям отслеживать нейронные пути и изучать, как информация обрабатывается и передаётся по нервной системе.

Изучение ПНС имеет фундаментальное значение для диагностики и мониторинга неврологических расстройств, поражающих как периферические нервы, так и головной мозг.11 Этот комплексный подход обеспечивает жизненно важную информацию, которая потенциально может улучшить медицинскую диагностику, стратегии лечения и более широкие неврологические исследования.

Рисунок 6. Развитие нервной системы у эмбриона мыши. Образец был очищен с помощью DBE. Получение мозаичного изображения (3 x 4). Масштабные линейки: 1 мм. Изображение получено на LCS SPIM. Образец предоставлен Джеймсом Мюллером, MSKCC, Нью-Йорк, США. Изображение предоставлено компанией Bruker Nano Surfaces and Metrology

Культура клеток и органоиды

Трёхмерные клеточные культуры — это хрупкие системы, которые требуют низкой фототоксичности при визуализации и оптимизированных экспериментальных протоколов для сохранения деликатных образцов.

Технология Light-sheet imaging позволяет решить эти проблемы и даёт исследователям возможность изучать клеточные культуры в трёхмерном пространстве, в том числе с помощью покадровой съёмки.

Внедрение астроцитов в органоиды нейронов

В рамках одного исследовательского проекта была предпринята попытка создать нейронные органоиды на основе клеток человека. Было доказано, что добавление астроцитов приводит к созданию микрофизиологической системы.12 В ходе этого исследования учёные использовали микроскоп MuVi SPIM для получения изображений органоидов.

Рисунок 7. Совместно культивируемые органоиды с нейронными клетками (пурпурный цвет) и астроцитами (зелёный цвет). В верхнем ряду показаны срезы, а в нижнем — трёхмерные реконструкции и кадры с вращением органоидов. Рисунок 4 изменён с красно-зелёного на пурпурно-зелёный, чтобы его могли воспринимать люди с дальтонизмом. Адаптировано и воспроизведено в соответствии с международной лицензией Creative Commons Attribution 4.0 (с разрешения автора).12 Изображение предоставлено компанией Bruker Nano Surfaces and Metrology

Заключение

Будучи центральным органом управления, мозг играет важнейшую роль в поддержании общего состояния здоровья, поэтому крайне важно понимать, как он функционирует. Несмотря на сложность мозга, инновационные инструменты и методы постоянно расширяют наши знания о его структуре и деятельности.

Это новаторское исследование открывает путь к значительным достижениям в области развития мозга и нейробиологии, которые могут улучшить диагностику, лечение и качество жизни людей, страдающих неврологическими расстройствами.

Лучшие световые микроскопы для различных областей нейробиологии. Источник: компания Bruker Nano Surfaces and Metrology

Ссылки и дальнейшее чтение

1. М. Бир, Б. Коннорс и М. А. Парадизо, «Нейронаука: изучение мозга», расширенное издание: «Изучение мозга», расширенное издание. Jones & Bartlett Learning, 2020.
2. Полдрак Р.А. и Фарах М.Дж. (2015). Достижения и проблемы в изучении человеческого мозга. Nature, (онлайн) 526(7573), стр. 371–379. https://doi.org/10.1038/nature15692.
3. Сури, Дж. С. (2019). Современный обзор глубокого обучения в медицинской визуализации. Frontiers in Bioscience, 24(3), стр. 392–426. https://doi.org/10.2741/4725.
4. Мураками Т.С., и др. (2018). Трёхмерный атлас всего мозга с разрешением на уровне отдельных клеток, созданный с помощью экспансивной микроскопии CUBIC-X и просветления тканей. Nature Neuroscience, 21(4), стр. 625–637. https://doi.org/10.1038/s41593-018-0109-1.
5. Хуискен, Дж. (2004). Оптическое рассечение живых эмбрионов на большой глубине с помощью микроскопии с селективным освещением плоскости. Science, 305(5686), стр. 1007–1009. https://doi.org/10.1126/science.1100035.
6. Аренс, М. Б., и др. (2013). Функциональная визуализация всего мозга с клеточным разрешением с помощью микроскопии световых листов. Nature Methods, (онлайн) 10(5), стр. 413–420. https://doi.org/10.1038/nmeth.2434.
7. Хевиа, К.Ф., и др. (2022). Нейрогенная судьба границ заднего мозга зависит от Notch3-зависимого асимметричного деления клеток. Cell Reports, 39(10), стр. 110915–110915. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.110915.
8. Лондон, А., Бенхар, И. и Шварц, М. (2012). Сетчатка как окно в мозг — от исследований глаз до заболеваний ЦНС. Nature Reviews Neurology, 9(1), стр. 44–53. https://doi.org/10.1038/nrneurol.2012.227.
9. Прахст, К., и др. Поведение клеток сетчатки мыши в пространстве и времени с помощью флуоресцентной микроскопии светового листа. eLife, (онлайн) 9, стр. e49779. https://doi.org/10.7554/eLife.49779.
10. Льюис, К.Э. и Эйзен, Дж.С. (2003). От клеток к цепям: развитие спинного мозга рыбки данио. Прогресс в нейробиологии, 69(6), стр. 419–449. https://doi.org/10.1016/s0301-0082(03)00052-2.
11. Дж. Хаббард, «Периферическая нервная система». Springer Science & Business Media, 2012.
12. Брюль, М. (2020). Включение астроцитов, полученных из стволовых клеток, в органоиды нейронов для обеспечения взаимодействия нейронов и глии в токсикологических исследованиях. ALTEX. https://doi.org/10.14573/altex.1911111.

Благодарности

Создано на основе материалов, изначально подготовленных доктором Элизабет Куглер из компании Bruker.

О наноповерхностях и метрологии Bruker

Bruker Nano Surfaces and Metrology предлагает высокопроизводительные специализированные технологии анализа и тестирования для широкого спектра исследовательских и производственных задач.

Наш широкий ассортимент 2D- и 3D-профилографов предоставляет конкретную информацию, необходимую для проведения исследований и разработок, контроля качества и измерения поверхности, а также для быстрого, точного и простого решения этих задач. А наши трибометры и механические тестеры предоставляют практические данные, которые помогают совершенствовать разработку материалов и трибологических систем. Ведущие в отрасли приборы для количественных наномеханических и нанотрибологических испытаний Bruker специально разработаны для того, чтобы открыть новые горизонты в области определения характеристик наноразмерных материалов, их разработки и мониторинга процессов.

Компания Bruker с самого начала лидировала в расширении возможностей атомно-силового микроскопа (АСМ), и наши системы являются самыми востребованными АСМ в мире. Наш обширный набор АСМ позволяет учёным по всему миру совершать открытия и углублять свои знания о материалах и биологических системах.

Благодаря нашей технологии nanoIR компания Bruker теперь также является признанным лидером в области фототермической ИК-спектроскопии - от наноразмерной до субмикронной и макромасштабной. Кроме того, Bruker, как единственный производитель АСМ, располагающий современным оборудованием для производства зондов и международной поддержкой клиентов в зависимости от конкретного применения, обладает уникальными возможностями для предоставления оборудования, руководства и поддержки для всех ваших потребностей в исследованиях на наноуровне.

Набор систем флуоресцентной микроскопии Bruker предлагает полный спектр решений для исследователей в области наук о жизни. Наши системы многофотонной визуализации обеспечивают глубину, скорость и разрешение, необходимые для прижизненной визуализации, а наши конфокальные системы позволяют клеточным биологам изучать функции и структуру с помощью визуализации живых клеток с невиданной ранее скоростью и длительностью.

Микроскопы сверхвысокого разрешения Bruker устанавливают новые стандарты благодаря количественной локализации отдельных молекул, которая позволяет напрямую исследовать положение молекул и распределение белков в клеточной среде. А наши микроскопы Luxendo совершают революцию в долгосрочных исследованиях в области биологии развития и изучении динамических процессов в клеточных культурах и на моделях мелких животных.

Помимо разработки и производства систем нового поколения для текущих и будущих задач наших клиентов, компания Bruker активно сотрудничает с инновационными компаниями, чтобы продолжать расширять спектр технологий и решений. Недавно в семейство Bruker Nano Surfaces вошли компании Alicona Imaging, Anasys Instruments, Hysitron, JPK Instruments, Luxendo, Inscopix и Neurescence.

Какие бы задачи по измерению и анализу вам ни стояли, какой бы ни был материал или масштаб исследования, у Bruker найдётся для вас специализированное высокопроизводительное решение.

Политика в отношении спонсируемого контента: News-Medical.net публикует статьи и сопутствующий контент, который может быть получен из источников, с которыми у нас есть коммерческие отношения, при условии, что такой контент соответствует основной редакционной политике News-Medical.Net, которая заключается в обучении и информировании посетителей сайта, интересующихся медицинскими исследованиями, наукой, медицинскими устройствами и методами лечения.