Observar cualquier cosa dentro del cerebro humano, sin importar cuán grande o pequeño sea, siempre y cuando esté completamente intacto ha sido un sueño inverosímil de la neurociencia durante décadas, pero en una nueva investigación ciencia, Un equipo con sede en el MIT describe una línea tecnológica que les permitió procesar con precisión, etiquetar masivamente y obtener rápidamente imágenes de hemisferios cerebrales completos de dos donantes, uno con Alzheimer y otro sin él, a alta resolución y velocidad.
“Realizamos imágenes completas del tejido cerebral humano en múltiples resoluciones, desde sinapsis individuales hasta hemisferios cerebrales completos, y hemos puesto estos datos a disposición”, dijo el autor principal y correspondiente Quanghan Chung, del Instituto Picor como Profesor Asociado en Aprendizaje y Memoria. . Ingeniería Química y Ciencias Cognitivas y del Cerebro, y el Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas del MIT. “Esta tecnología realmente nos permite analizar el cerebro humano en múltiples escalas. Esta tubería podría usarse potencialmente para mapear completamente el cerebro humano”.
El nuevo estudio aún no ofrece un mapa o atlas completo de todo el cerebro, en el que se identifica y analiza cada célula, circuito y proteína, pero con imágenes hemisféricas completas, demuestra que un conjunto integrado de tres tecnologías lo hace para permitirlo. y otros por períodos de tiempo más largos. – Probó la investigación en neurociencia. La investigación proporciona una “prueba de concepto” al mostrar varios ejemplos de lo que el proceso hace posible, incluidas vistas a gran escala de miles de neuronas dentro de regiones enteras del cerebro, diversos bosques de células, cada una con detalle individual, y grupos celulares de estructuras subcelulares. enclavado entre moléculas. . Los investigadores también presentan una rica variedad de comparaciones analíticas cuantitativas centradas en regiones seleccionadas dentro de los hemisferios con y sin Alzheimer.
Chung dijo que la importancia de poder preservar todo el hemisferio del cerebro humano y visualizar las sinapsis individuales (las pequeñas conexiones que hacen las neuronas para formar circuitos) es doble para comprender el cerebro humano en la salud y la enfermedad.
Por un lado, esto permitiría a los científicos investigar cuestiones utilizando, por ejemplo, el mismo cerebro, en lugar de observar diferentes fenómenos en diferentes cerebros, que pueden ser significativamente diferentes, y luego intentar crear una imagen completa del conjunto. Una característica clave de la nueva tecnología del sistema es que el análisis no degrada el tejido. Por el contrario, hace que los tejidos sean muy duraderos y capaces de reetiquetarse repetidamente para caracterizar diferentes células o moléculas según sea necesario para nuevos estudios, potencialmente durante años. En el artículo, el equipo de Chung muestra el uso de 20 etiquetas de anticuerpos diferentes para caracterizar diferentes células y proteínas, pero ya están ampliando esto a cien o más.
“Necesitamos poder ver todos estos diferentes componentes funcionales (células, su morfología y conectividad, arquitecturas subcelulares y sus conexiones sinápticas individuales), idealmente dentro de un solo cerebro, el cerebro humano. La valiosa naturaleza de los patrones del cerebro humano considerando individuos variación”, dijo Chung. “Esta tecnología realmente nos permite extraer todas estas características críticas de un solo cerebro de una manera completamente integrada”.
Por otro lado, la escalabilidad y el rendimiento relativamente altos del proceso (obtener imágenes de un hemisferio cerebral completo una vez lleva 100 horas en lugar de varios meses) significa que se pueden representar diferentes sexos, edades, estados patológicos y otros. Es posible crear muchos patrones. para Factores que pueden permitir comparaciones más sólidas con mayor poder estadístico. Chung dijo que imagina la creación de un banco de cerebros completamente mapeados que los investigadores puedan analizar y reetiquetar según sea necesario para nuevos estudios, de modo que él y sus coautores puedan mapear los hemisferios con y sin Alzheimer. ¿Con qué se compara? Papel
Tres innovaciones importantes
Chung dijo que su mayor desafío para lograr el progreso descrito en el artículo fue formar un equipo en el MIT que incluyera a tres jóvenes científicos particularmente talentosos, cada uno de los cuales fue coautor principal del artículo porque tres desempeñaron un papel clave en el desarrollo de importantes innovaciones. Ji Wang, ingeniero mecánico y ex postdoctorado, desarrolló el “Megatomo”, que corta los hemisferios intactos del cerebro humano con tanta finura que no resulta dañado. Juhyuk Park, ingeniero de materiales y ex postdoctorado, desarrolló una química que permite que cada parte del cerebro sea limpia, flexible, duradera, escalable y etiquetada de manera rápida, uniforme y repetida, una tecnología que llamó “mELAST”. Webster Gowan, un ex estudiante de posgrado en ingeniería química del MIT con experiencia en desarrollo de software, creó un sistema computacional llamado “UNSLICE” que mapea cada hemisferio en 3D completo con los detalles precisos de los vasos sanguíneos y axones nerviosos individuales. Puede volver a ensamblar losas sin problemas para alinearlos. (Extienden fibras largas para conectarse con otras neuronas).
Ninguna tecnología permite obtener imágenes de toda la anatomía del cerebro humano con resolución subcelular sin cortarlo primero porque es muy grueso (tiene 3.000 veces el volumen del cerebro de rata) y opaco. Pero en el Megatomo, el tejido no se daña porque Wang, ahora en una empresa llamada LifeCanvas Technologies, diseñó su hoja para moverse más rápido y aún más ancha que las cortadoras de vibratomo anteriores. Mientras tanto, también desarrolló el dispositivo para que viva completamente dentro de su nave, dijo Chung. El resultado son fragmentos que no pierden su separación ni información física en ningún otro lugar. Y debido a que el vibratomo corta relativamente rápido y puede cortar trozos de tejido más gruesos (y por lo tanto más cortos), se puede cortar un hemisferio completo en un día en lugar de meses.
Una de las principales causas del espesor de la losa en una tubería proviene del lastre. Park diseñó el hidrogel que infunde la muestra del cerebro para hacerlo ópticamente claro, prácticamente indivisible, encogible y expandible. Combinadas con otras tecnologías de ingeniería química desarrolladas en los últimos años en el laboratorio de Chung, las muestras se pueden mezclar de manera uniforme y rápida con etiquetas de anticuerpos que resaltan las células y proteínas de interés. Utilizando un microscopio de lámina de luz personalizado en el laboratorio, se pueden obtener imágenes de un hemisferio completo para sinapsis individuales en aproximadamente 100 horas, informan los autores en el estudio. Park es ahora profesor asistente en la Universidad Nacional de Seúl en Corea del Sur. “Esta red polimérica avanzada, que afina las propiedades fisicoquímicas de los tejidos, permite obtener imágenes multiplexadas a múltiples escalas del cerebro humano intacto”, dijo Park.
Después de obtener imágenes de cada losa, la tarea es restaurar computacionalmente una imagen preservada de todo el hemisferio. UNSLICE de Guan hace esto en múltiples escalas. Por ejemplo, en la escala intermedia o “meso”, rastrea algorítmicamente y compara los vasos sanguíneos que entran en una capa desde capas adyacentes. Pero también requiere una mejor perspectiva. Para registrar mejor las losas, el equipo etiquetó deliberadamente los axones nerviosos vecinos en diferentes colores (como los cables de un aparato eléctrico). Esto permitió a UNSLICE fusionar capas basándose en la detección de ejes, dijo Chung. Guan ahora también está en Life Canvas.
En el estudio, los investigadores proporcionaron ejemplos de lo que podría hacer el oleoducto. La primera imagen demuestra que las imágenes permiten el etiquetado rico de un hemisferio completo y luego bajar al nivel de circuitos en una amplia gama de estructuras cerebrales, luego células individuales y luego hasta el nivel de subcélulas como las sinapsis. Otras imágenes y vídeos muestran cuán diverso puede ser el etiquetado, mostrando largas conexiones axonales y la abundancia y morfología de diferentes tipos de células, incluidas no solo neuronas sino también astrocitos y microglía.
investigación sobre el alzhéimer
Durante varios años, Chung ha colaborado con Matthew Frosch, investigador de Alzheimer y director del Banco de Cerebros del Hospital General de Massachusetts, para obtener imágenes y comprender los cerebros de la enfermedad de Alzheimer. Una vez implementado el nuevo oleoducto, comenzaron una búsqueda abierta y primero notaron que dentro de las placas de tejido observaron la mayor pérdida de neuronas en muestras de enfermedades en comparación con los controles. A partir de ahí, siguieron su curiosidad, según lo permitió la tecnología, y finalmente produjeron una serie de investigaciones detalladas que se describen en el artículo.
“No habíamos hecho todos estos experimentos antes”, dijo Chung. “Simplemente comenzamos diciendo: ‘Está bien, tomemos imágenes de esta losa y veamos lo que vemos’. Hemos identificado regiones del cerebro con daño nervioso significativo, así que veamos qué está pasando allí. Por lo tanto, utilizamos muchos marcadores diferentes para caracterizar y visualizar la relación entre factores patógenos y diferentes tipos de células.
“Este oleoducto nos permite un acceso casi ilimitado al tejido”, dijo Chung. “Siempre podemos volver atrás y ver algo nuevo”.
Centraron la mayor parte de su análisis en la corteza orbitofrontal dentro de cada hemisferio. Una de las muchas observaciones que hicieron fue que la pérdida de sinapsis se concentraba en áreas que se superponían directamente con las placas amiloides. La densidad de sinapsis fuera de las áreas de placa fue similar en cerebros con Alzheimer que en cerebros sin la enfermedad.
Chung dijo que con sólo dos muestras, el equipo no está sacando ninguna conclusión sobre la naturaleza de la enfermedad de Alzheimer, pero el objetivo del estudio es que ahora tiene el potencial de obtener imágenes completas de los hemisferios de todo el cerebro humano y puede analizarse. a fondo. Este tipo de investigación.
En particular, esta tecnología es igualmente aplicable no sólo al cerebro sino también a muchos otros tejidos del cuerpo.
“Prevemos que esta plataforma tecnológica escalable mejorará nuestra comprensión de la función de los órganos humanos y los mecanismos de las enfermedades para avanzar en el desarrollo de nuevas terapias”, concluyen los autores.
Además de Park, Wang, Guan, Chung y Frosch, los otros autores de este artículo son Lars A. Jestibe, Dylan Pollock, Lee Kaminsky, Nicholas B. Evans, Jeff Sterman, Zeni Guo, Chuanxi Zhao, Slayton Marks, Minyoung. E. Kim. , Seo Woo Choi, Michael Snyder, David Chávez, Clover Su-Arcaro, Yuxuan Tian, Chang Sin Park, Qiangge Zhang, Dae Hee Yun, Mira Moukheiber, Guoping Feng, X. William Yang, C. Dirk Keene, Patrick R Hof, Satrajit S. Ghosh y Laura J. Brittain.
La financiación principal para este trabajo provino de los Institutos Nacionales de Salud, el Instituto Pacor para el Aprendizaje y la Memoria, la Fundación JPB y la Fundación Cultural NCSOFT.
