Nová technologie značně zrychluje mapování mozku

Tým složený z výzkumníků z Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) a The Massachusetts Institute of Technology to dokázal automatizací a standardizací procesů, v jejichž rámci jsou vzorky mozkové tkáně nejdříve rozděleny na úseky a pak postupně zobrazovány v přesné prostorové orientaci ve dvou-fotonovém mikroskopu.

„Nová technologie by měla výrazně usnadnit systematické studium neuroanatomie v myších modelech lidských mozkových poruch jako je schizofrenie a autismus,“ říká profesor Pavel Osten, šéf výzkumného týmu.

Na vývoji se významně podílela také společnost TissueVision, která vyvíjí inovativní tkáňové zobrazovací a spektroskopické přístroje. Podrobnější informace o technologii, která byla nazvána Serial Two-Photon Tomography zkráceně STP tomography česky doslova sériová dvou-fotonová tomografie, přinesla internetová verze časopisu Nature dne 15. ledna 2012.

Tomografie je obecně metoda prostorového zobrazování založená na skládání jednotlivých 2D řezů nějaké 3D struktury. Dvou-fotonové zobrazování je typ využívaný biologickými laboratořemi zejména ve spojení s fluorescenčními biomarkery, které slouží zejména k označování určitého typu buněk či jiných anatomických znaků. Dvou-fotonová metoda umožňuje hlubší optický průnik do vzorků tkáně než běžná konfokální mikroskopie.

„STP tomografie dosahuje vysoké propustností fluorescenčního zobrazování celého myšího mozku díky robotické integraci dvou základních kroků – segmentaci tkáně a fluorescenčního zobrazování,“ vysvětluje Pavel Osten. V uveřejněné studii jeho tým dokládá výsledky několika experimentů na myších mozcích, které ukazují vysokou citlivost nové technologie a naznačují široké možnosti jejího uplatnění.

V jedné sadě experimentů vědci testovaly novou technologii při různých úrovních rozlišení. Jako dostatečné se pro vizualizaci rozložení a morfologie neuronů označených zeleně fluoreskujícím proteinem ukázalo 10-ti násobné zvětšení vzorků mozkové tkáně. Jak dodal profesor Osten, bylo při něm možné neurony vizualizovat i včetně jejich dendritů a axonů.

Získání úplné sady dat o jednom mozku včetně výsledných 3D vyobrazení trvalo výzkumníkům od 6,5 do 8,5 hodiny v závislosti na rozlišení. Každá sada přitom byla složena z 260 plátků tkáně myšího mozku, z nichž bylo v počítači sestaveno výsledné 3D vyobrazení. Toto vyobrazení dovoluje kromě jiného tzv. "warping" neboli určitý rozsah manipulace jako deformování a ohýbání za účelem odhalení skrytých struktur a vlastností nebo pro porovnávání s anatomickými nákresy jiných mozků.

Zkušený laboratorní technik dokáže s tímto zařízením zkompletovat sadu celého mozku myši v tom nejvyšším možném rozlišení během týdne.

"Technologie může být prakticky použita pro skenování v různých úrovních rozlišení od 1-2 μm až po méně než 1 μm," říká Pavel Osten. "Odebrání skenů v té nejvyšší úrovni rozlišení přitom trvá kolem 24 hodin, což ve srovnání s metodami, které se používají dnes, znamená impozantní úsporu času. Zkušený laboratorní technik takto dokáže zkompletovat úplnou sadu pro celý mozek v tom nejvyšším možném rozlišení během týdne,“ poznamenává.

"Nejvíce vzrušující na tomto nástroji je jeho použití při studiu lidských nemocí na myších modelech, se kterými v mé laboratoři pracujeme," říká Pavel Osten. "Zaměřujeme se na srovnávání různých myších modelů schizofrenie a autismu. Identifikovali jsme mnoho genů citlivých k oběma těmto poruchám. Míst, která mohou souviset z některou poruchou z širokého autistického spektra, je v lidském genomu více než 250, alespoň podle odhadu, který byl před nedávnem publikován týmem Dr. Mika Wiglera, kolegy z CSHL. Také další kolegyně z CSHL, doktorka Mills Alea, publikovala loni na podzim myší model jedné genetické vady související s autismem v oblasti chromozómu 16, brzy tak již budeme mít desítky modelů, z nichž každý ukazuje jinou vadu."

"Následně budeme chtít tyto myši porovnávat, a to je hlavní důvod proč jsme STP tomografii navrhli – pro automatizaci a standardizaci procesu shromažďování snímků celého mozku, který má být vykonáván pro různé buněčné typy nebo okruhy trasování. To umožní srovnání různých myších modelů objektivním způsobem." říká na závěr Pavel Osten.

Pokud jde o míru detailů, nemůže uvedená technologie konkurovat a ani se o to nesnaží, projektu, o kterém jsme psali loni v únoru v článku Vědci mapují, jak je 'zadrátován' mozek, vytvářejí takzvaný konektom. Tým Jeffa Lichtmana se v něm snaží zmapovat myší mozek na úrovni jednotlivých neuronů. Pro srovnání plátky, ze kterých tento 3D model myšího mozku vzniká, mají šířku 29,4 nanometru, jsou tedy přibližně 2000x tenčí než řezy, ze kterých je sestavováno 3D zobrazení myšího mozku výše popsanou STP tomografií. Ta pracuje s plátky o šířce od 40μm do 90μm a celý myší mozek takto zvládne sestavit do jednoho týdne při tom nejvyšším pro ni možném rozlišení a to víceméně automaticky. Kdežto tým dr. Lichtmana na tom bude pracovat ještě roky. (poznámka autora)

Abstrakt článku v časopise Nature

Abstrakt článku, který byl uveřejněn dne 15. ledna 2012 v on-line verzi časopisu Nature Methods

Popisujeme, automatizovanou metodu pojmenovanou „Sériová dvou-fotonová tomografie (STP tomography)“, která dosahuje vysokou propustnost fluorescenčního zobrazování myšího mozku integrací dvou-fotonové mikroskopie a tkáňových řezů. STP tomografie generuje datové sady s vysokým rozlišením, které jsou bez zkreslení a mohou být snadno přizpůsobené ve 3D například pro porovnávání s dalšími anatomickými nákresy. Tato metoda otevírá dveře k rutinnímu systematickému studiu neuroanatomie na myších modelech lidského mozku.

Autoři studie jsou Timothy Ragan, Lolahon R Kádirí, Kannan Umadevi Venkataraju, Karsten Bahlmann, Jason Sutin, Julian Taranda, Ignacio Arganda-Carreras, Yongsoo Kim, Seung H Sebastian a Pavel Osten.

Odkaz na tento článek.