高度なX線技術を使用して、研究者はシナプスから脳全体のレベルまで、マウスの脳全体を初めて画像化しました-ScienceDaily

by REVOLUSYNAPSE
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シカゴ大学と米国エネルギー省(DOE)のアルゴンヌ国立研究所の研究者は、既存の高度なX線顕微鏡技術を活用して、MRI(磁気共鳴画像法)と電子顕微鏡画像法の間のギャップを埋め、マルチスケール全体に実行可能なパイプラインを提供しています。同じ脳内の脳イメージング。 概念実証のデモンストレーションでは、マウスの脳全体を5桁の解像度でイメージングしました。これは、既存のイメージングアプローチをより適切に結び付け、脳の構造に関する新しい詳細を明らかにするステップであると研究者は述べています。

6月9日に公開されたアドバンス NeuroImage、科学者が顕微鏡レベルと巨視的レベルでバイオマーカーを接続できるようになり、MRIイメージングの解像度が向上し、電子顕微鏡のコンテキストが向上します。

「私たちの研究室は、脳がどのように見えるかについて偏りのない説明を得るために、複数のスケールで脳をマッピングすることに本当に興味を持っています」と、シカゴ大学の神経生物学の助教授であり、アルゴンヌの神経科学研究者である上級著者のナラヤナン「ボビー」カストゥリ医学博士は述べています。 「私がここの学部に加わったとき、私が最初に学んだことの1つは、アルゴンヌがこの非常に強力なX線顕微鏡を持っていて、まだ脳機能マッピングに使用されていなかったので、試してみることにしました。」

顕微鏡は、シンクロトロンベースのX線トモグラフィーと呼ばれるタイプのイメージングを使用します。これは、「マイクロCT」またはマイクロコンピューター断層撮影スキャンに例えることができます。 アルゴンヌのシンクロトロン粒子加速器によって生成された強力なX線のおかげで、研究者たちはマウスの脳全体(約1立方センチメートル)をミクロンの解像度、1 / 10,000センチメートルで画像化することができました。 脳全体の画像を収集するのに約6時間かかり、合計で約2テラバイト(TB)のデータになりました。 これは、このレベルの解像度での全脳イメージングの最速のアプローチの1つです。

MRIは脳全体をすばやく画像化して神経路を追跡できますが、個々のニューロンまたはそれらの接続を観察するには解像度が十分ではありません。 スケールの反対側では、電子顕微鏡(EM)は個々のシナプスの詳細を明らかにすることができますが、膨大な量のデータを生成するため、体積が数マイクロメートルを超える脳組織の断片を調べることは計算上困難です。 マイクロメートルの解像度で神経解剖学を研究するための既存の技術は、通常、単なる2次元であるか、MRIまたはEMイメージングと互換性のないプロトコルを使用するため、すべてのスケールで同じ脳組織をイメージングに使用することは不可能です。

研究者たちは、新しいマイクロCTまたはμCTアプローチがこの既存の解像度のギャップを埋めるのに役立つ可能性があることにすぐに気づきました。 「人々がMRIを使用して脳全体のレベルを調べ、EMを使用してそれらの結果を検証しようとする画像研究はたくさんありますが、解像度には不連続性があります」と、筆頭著者のショーンフォックスリー博士(研究助教授)は述べています。 UChicagoで。 「EMデータセットを見ているときにMRIで見られる大量の組織については何も言うのは難しいですが、X線はそのギャップを埋めることができます。これでようやくすべてのレベルを調べることができるものができました。シームレスに解像度を向上させます。」

MRIとEMの専門知識を組み合わせて、Foxley、Kasthuri、およびチームの他のメンバーは、これら3つのアプローチを使用して単一のマウス脳のマッピングを試みることを選択しました。 「なぜ私たちはマウスの脳を選んだのですか?それは顕微鏡に収まるからです」とカシュリは笑いながら言った。 「しかしまた、マウスは神経科学の主力製品です。マウスは脳内のさまざまな実験条件を分析するのに非常に役立ちます。」

組織を収集して保存した後、チームはサンプルをMRIスキャナーに入れて、脳全体の構造画像を収集しました。 次に、それをDOE科学局ユーザー施設であるAdvanced Photon SourceのμCTスキャナーの回転ステージに配置して、EMのターゲティングのために脳幹と小脳で特定の関心領域を特定する前にCTデータを収集しました。

数ヶ月のデータ処理と画像追跡の後、研究者たちは、MRIで特定された構造マーカーを使用して、指定された脳領域の特定のニューロンサブグループを特定でき、個々の細胞体のサイズと形状を追跡できると判断しました。 また、脳内を移動する個々のニューロンの軸索を追跡し、μCT画像からの情報をEMでシナプスレベルで見たものと関連付けることもできました。

チームによると、このアプローチは、μCT解像度で脳をイメージングするだけでなく、MRIおよびEMイメージングに情報を提供するのにも役立ちます。

「EMで脳の1ミリメートルの立方体を想像すると、これはMRI画像のほぼ最小解像度に相当し、ほぼ100万ギガバイトのデータを生成します」とKasthuri氏は述べています。 「そして、それは1ミリメートルの立方体を見ているだけです!次の立方体、または次の立方体で何が起こっているのかわからないので、EMで見ているもののコンテキストが本当にありません。MRIはいくつかのコンテキストを提供できますただし、スケールが大きすぎてブリッジできません。このμCTにより、EM作業に必要なコンテキストが得られます。」

スケールの反対側では、フォックスリーは、このアプローチがMRIを通じて生きている脳を理解するのにどのように役立つかについて興奮しています。 「この技術は、病気や怪我が存在するときに脳の微細構造の変化を特定するための本当に明確な方法を私たちに与えてくれます」と彼は言いました。 「これで、μCTでバイオマーカーを探し始め、生きている脳のMRIで見たものにまでさかのぼることができます。X線で細胞レベルで物事を見ることができるので、次のように尋ねることができます。巨視的レベルでMRI信号に全体的な変化をもたらした細胞レベルで何が変化したのか?」

研究者たちはすでにこの技術を使用して神経科学の重要な問題の調査を開始し、アルツハイマー病を発症するように遺伝子操作されたマウスの脳を調べて、μCTで見られるAbプラークをMRIスキャンの測定可能な変化まで追跡できるかどうかを確認しています。特に病気の初期段階で。

重要なのは、この作業は国立研究所で行われたため、このリソースは世界中の他の科学者が自由にアクセスできるようになり、研究者が脳全体にまたがってシナプスレベルに達する質問をしたり答えたりできるようになることです。 。

ただし、現時点では、UChicagoチームは技術の改良を続けることに最も関心があります。 「次のステップは、霊長類の脳全体を処理することです」とKasthuri氏は述べています。 「マウスの脳は可能であり、病理学的モデルに役立ちます。しかし、私が本当にやりたいのは、霊長類の脳全体をすべてのニューロンとすべてのシナプス接続のレベルまで画像化することです。人間の脳全体。」

「5桁の解像度を超える単一のマウス脳のマルチモーダルイメージング」という研究は、McKnight Foundation、Brain Initiativeの助成金(U01 MH109100)、National Science Foundation、NationalからのTechnical InnovationAwardによってサポートされました。神経障害および脳卒中研究所(F31NS113571)、および国立衛生研究所(R01EB026300、S10-OD025081、S10-RR021039、およびP30-CA14599)。 追加の著者には、Vandana Sampathkumar、Scott Trinkle、Anastasia Sorokina、Katrina Norwood、UChicagoのPatrick La Riviere、およびアルゴンヌ国立研究所のVincent DeAndradeが含まれます。



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