Observar cualquier cosa dentro del cerebro humano, sin importar cuán grande o pequeño sea mientras está completamente intacto, ha sido un sueño fuera del alcance de la neurociencia durante décadas, pero en un nuevo estudio publicado en Science, un equipo del MIT describe un línea de tecnología que les permitió procesar con precisión, etiquetar detalladamente y obtener imágenes nítidas de hemisferios completos del cerebro de dos donantes, uno con Alzheimer y otro sin Alzheimer, a alta resolución y velocidad.
"Realizamos imágenes holísticas de los tejidos cerebrales humanos en múltiples resoluciones, desde sinapsis individuales hasta hemisferios cerebrales completos, y hemos puesto esos datos a disposición", dijo el autor principal y correspondiente, Kwanghun Chung, profesor asociado en el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria, los Departamentos de 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. Potencialmente, este oleoducto se puede utilizar para mapear completamente los cerebros humanos”.
El nuevo estudio no presenta ya un mapa completo o atlas de todo el cerebro, en el que se identifica y analiza cada célula, circuito y proteína, pero con imágenes hemisféricas completas, demuestra un conjunto integrado de tres tecnologías para permitir esa y otras investigaciones a largo plazo. -buscó investigaciones en neurociencia. La investigación proporciona una "prueba de concepto" al mostrar numerosos ejemplos de lo que el oleoducto hace posible, incluidos amplios paisajes de miles de neuronas dentro de regiones completas del cerebro, diversos bosques de células, cada uno en detalle individual, y mechones de estructuras subcelulares ubicadas entre moléculas extracelulares. Los investigadores también presentan una rica variedad de comparaciones analíticas cuantitativas centradas en una región elegida dentro de los hemisferios con y sin Alzheimer.
La importancia de poder visualizar hemisferios completos del cerebro humano intactos y hasta la resolución de las sinapsis individuales (las pequeñas conexiones que las neuronas forjan para formar circuitos) es doble para comprender el cerebro humano en la salud y la enfermedad, dijo Chung.
Por un lado, permitirá a los científicos realizar exploraciones integradas de cuestiones utilizando el mismo cerebro, en lugar de tener que, por ejemplo, observar diferentes fenómenos en diferentes cerebros, que pueden variar significativamente, y luego intentar construir una imagen compuesta del conjunto. sistema. Una característica clave de la nueva tecnología es que el análisis no degrada el tejido. Por el contrario, hace que los tejidos sean extremadamente duraderos y reetiquetables repetidamente para resaltar diferentes células o moléculas según sea necesario para nuevos estudios durante potencialmente años. En el artículo, el equipo de Chung demuestra el uso de 20 etiquetas de anticuerpos diferentes para resaltar diferentes células y proteínas, pero ya están expandiendo esa cifra 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 del mismo cerebro, considerando las altas variabilidades individuales en el cerebro humano y considerando los preciosos naturaleza de las muestras de cerebro humano”, dijo Chung. "Esta tecnología realmente nos permite extraer todas estas características importantes del mismo cerebro de una manera totalmente integrada".
Por otro lado, la escalabilidad y el rendimiento relativamente altos del proceso (la obtención de imágenes de un hemisferio cerebral completo una vez preparado lleva 100 horas en lugar de muchos meses) significa que es posible crear muchas muestras para representar diferentes sexos, edades, estados de enfermedad y otros factores que pueden permitir comparaciones sólidas con mayor poder estadístico. Chung dijo que imagina la creación de un banco de cerebros con imágenes completas de cerebros que los investigadores podrían analizar y reetiquetar según sea necesario para que nuevos estudios hagan más comparaciones del tipo que él y sus coautores hicieron con los hemisferios con y sin Alzheimer en el nuevo papel.
Chung dijo que el mayor desafío que enfrentó para lograr los avances descritos en el artículo fue formar un equipo en el MIT que incluyera a tres jóvenes científicos especialmente talentosos, cada uno de los cuales fue coautor principal del artículo debido a sus roles clave en la producción de las tres principales innovaciones. Ji Wang, ingeniero mecánico y ex postdoctorado, desarrolló el "Megatomo", un dispositivo para cortar hemisferios cerebrales humanos intactos de manera tan fina que no se dañan. Juhyuk Park, ingeniero de materiales y ex postdoctorado, desarrolló la química que hace que cada porción de cerebro sea clara, flexible, duradera, expandible y etiquetable de manera rápida, uniforme y repetida: una tecnología llamada "mELAST". Webster Guan, un ex estudiante de posgrado en ingeniería química del MIT con una habilidad especial para el desarrollo de software, creó un sistema computacional llamado "UNSLICE" que puede reunir sin problemas las losas para reconstruir cada hemisferio en 3D completo hasta la alineación precisa de los vasos sanguíneos individuales y los axones neuronales. (las largas hebras que se extienden para forjar conexiones con otras neuronas).
Ninguna tecnología permite obtener imágenes de la anatomía completa del cerebro humano con resolución subcelular sin cortarlo primero porque es muy grueso (tiene 3.000 veces el volumen del cerebro de un ratón) y opaco. Pero en el Megatomo, el tejido permanece intacto porque Wang, que ahora trabaja en una empresa fundada por Chung llamada LifeCanvas Technologies, diseñó su hoja para vibrar de lado a lado más rápido y, sin embargo, barrer más que los cortadores de vibratomo anteriores. Mientras tanto, también diseñó el instrumento para que permaneciera perfectamente dentro de su plano, dijo Chung. El resultado son cortes que no pierden información anatómica en su separación ni 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 menos), se puede cortar un hemisferio completo en un día, en lugar de meses.
Una de las principales razones por las que las losas de las tuberías pueden ser más gruesas proviene de mELAST. Park diseñó el hidrogel que infunde la muestra del cerebro para hacerlo ópticamente claro, virtualmente indestructible, comprimible y expandible. En combinación con otras tecnologías de ingeniería química desarrolladas en los últimos años en el laboratorio de Chung, las muestras se pueden infundir de manera uniforme y rápida con etiquetas de anticuerpos que resaltan las células y proteínas de interés. Utilizando un microscopio de lámina luminosa personalizado por el laboratorio, se pueden obtener imágenes de un hemisferio completo hasta las 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, permitió obtener imágenes multiplexadas a múltiples escalas de cerebros humanos intactos", dijo Park.
Después de obtener imágenes de cada losa, la tarea es restaurar computacionalmente una imagen intacta de todo el hemisferio. UNSLICE de Guan hace esto en múltiples escalas. Por ejemplo, en la escala media o “meso”, rastrea algorítmicamente los vasos sanguíneos que entran en una capa desde las capas adyacentes y los compara. Pero también requiere un enfoque aún más fino. Para registrar aún más las losas, el equipo etiquetó deliberadamente los axones neuronales vecinos en diferentes colores (como los cables de un dispositivo eléctrico). Eso permitió a UNSLICE unir capas basándose en el seguimiento de los axones, dijo Chung. Guan también está ahora en LifeCanvas.
En el estudio, los investigadores presentan una letanía de ejemplos de lo que puede hacer el oleoducto. La primera figura demuestra que las imágenes permiten etiquetar detalladamente un hemisferio completo y luego acercarse desde la amplia escala de estructuras cerebrales hasta el nivel de los circuitos, luego las células individuales y luego los componentes subcelulares como las sinapsis. Otras imágenes y vídeos demuestran cuán diverso puede ser el etiquetado, revelando largas conexiones axonales y la abundancia y forma de diferentes tipos de células, incluidas no solo neuronas sino también astrocitos y microglía.