14:00 
Ученым из Swiss Light Source SLS удалось создать неразрушающую карту части мозговой ткани в 3D с беспрецедентным разрешением с помощью рентгеновских лучей. Этот прорыв преодолевает давний технологический барьер, который ограничивал использование рентгеновских лучей для таких исследований.
После завершения модернизации SLS открывается путь к визуализации гораздо более крупных образцов ткани мозга в высоком разрешении – и к новому пониманию его сложной архитектуры. Исследование, проведенное в результате сотрудничества PSI и Института Фрэнсиса Крика в Великобритании, опубликовано в журнале Nature Methods.
Мозг – одна из самых сложных биологических систем в мире".
Адриан Ваннер, руководитель исследовательской группы структурной нейробиологии Института Пола Шеррера PSI
Как нейроны связаны друг с другом – это то, что его группа пытается разгадать. Это область, известная как коннектомика.
Он объяснил: «Возьмем печень: нам известно около 40 типов клеток. Мы знаем, как они устроены. Мы знаем их функции. Это не относится к мозгу. Итак, можно спросить, в чем разница между мозгом и печенью? Если мы посмотрим на тела клеток головного мозга и печени, отличить их будет непросто. У них обоих есть ядро, эндоплазматическая сеть, у них обоих одинаковый межклеточный механизм, одни и те же молекулы, одни и те же типы белков. Разница не в этом. Что действительно отличается, так это то, как клетки мозга организованы и связаны между собой».
Давайте поговорим о цифрах: в одном кубическом миллиметре мозговой ткани содержится около 100 000 нейронов, связанных примерно 700 миллионами синапсов и 4 километрами «кабелей».
То, как эти нейроны соединяются друг с другом через синапсы, определяет, как работает мозг. Это связано с такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера. Однако сложность этой связи определяет то, как эти нейроны соединяются друг с другом через синапсы. в трех измерениях чрезвычайно сложно изучать «Если вы возьмете нейронную сеть с 17 нейронами, то способов их соединения будет больше, чем атомов во Вселенной», — говорит Ваннер. "Поэтому вы не можете просто попытаться смоделировать это. Нам нужно это измерить".
Именно на фоне этой огромной проблемы стоит крупный технологический прогресс, достигнутый Ваннером и его коллегами из Swiss Light Source SLS - в сотрудничестве с Институтом Фрэнсиса Крика в Великобритании.
Рентгеновские лучи проникают в ультраструктуру
В настоящее время основным методом получения изображений этого типа является объемная электронная визуализация. микроскопия. Поскольку электроны проникают лишь неглубоко, кубические миллиметры тканей мозга приходится разрезать на десятки тысяч ультратонких срезов. Затем они визуализируются индивидуально и реконструируются с помощью вычислений, чтобы составить карту трехмерной связи нейронов через срезы - процесс, который очень подвержен ошибкам и неизбежно приводит к потере информации.
Решение лежит в рентгеновских лучах. Они могут проникать на миллиметры или даже сантиметры и, таким образом, в принципе могут отображать фрагменты мозговой ткани без разрезов.
На линии когерентного малоуглового рассеяния рентгеновских лучей SLS, известной сокращенно как cSAXS, рентгеновские лучи высокой яркости позволили получать изображения компьютерных чипов с разрешением всего 4 нанометра - мировой рекорд. «Но для биологических тканей проблема заключается в контрасте», — объясняет Ана Диас, ученый из cSAXS. «Компьютерные чипы состоят из медных проводов, которые естественным образом сильно контрастируют с материалом, в который они вставлены. Когда у нас есть строительные блоки жизни — белки, липиды и т. д., а матрица, в которой преобладает вода, рентгеновское взаимодействие очень слабое, и труднее достичь высокого разрешения».
Чтобы преодолеть эти проблемы контраста, ученые окрашивают ткани мозга с помощью тяжелых металлов. Однако они поглощают рентгеновские лучи, что приводит к другой проблеме: образец деформируется. Внедренные материалы могут стабилизировать образец, но они также сталкиваются с теми же проблемами, что и деформация под действием рентгеновских лучей, образование пузырей и разрушение тонкой ультраструктуры ткани мозга.
Смола для аэрокосмической промышленности
Чтобы решить эту проблему, Ваннер, Диас и коллеги придумали новый подход. Основной разработкой является эпоксидная смола, которая все еще способна проникать в биологические ткани, обеспечивая при этом исключительную радиационную устойчивость - материал, обычно используемый в аэрокосмической и ядерной промышленности, а также в ускорителях частиц.
Они дополняют это специально разработанным столиком, который позволяет им получать изображения образцов, охлажденных до -178 градусов Цельсия жидким азотом. Наконец, алгоритм реконструкции компенсирует небольшие деформации, которые все же происходят.
Благодаря этому подходу исследователи смогли изучать кусочки ткани мозга мыши толщиной до 10 микрон, достигнув разрешения 38 нанометров в трех измерениях. «Мы считаем, что это рекордное разрешение при использовании рентгеновской визуализации обширной биологической ткани», — говорит Диас.
