مغز پستاندارانی که تا به حال ندیده اید

این مقاله از وبلاگ مدیر NIH گرفته شده است. این کار توسط NIBIB و سایر مؤسسات NIH تأمین مالی شد

محققان در حال پیشرفت شگفت انگیزی در توسعه روش های تصویربرداری جدید هستند. و اکنون آن‌ها از یکی از آخرین ساخته‌های خود به نام ExLLSM استفاده می‌کنند تا مناظری شگفت‌انگیز از طیف وسیعی از سیستم‌های بیولوژیکی، از جمله شبکه‌های عصبی فوق‌العاده پیچیده در مغز پستانداران را به ما ارائه دهند.

در این ویدئو، ExLLSM ما را به یک سفر سه بعدی با وضوح فوق العاده از طریق یک نمونه کوچک (0.0030 اینچ ضخامت) از بخشی از مغز موش که حس را پردازش می کند، یعنی قشر اولیه حسی تنی، می برد. این ویدئو روی نورون‌های هرمی (جسم سلول‌های زرد بزرگ)، که هر کدام حدود 7000 سیناپس یا اتصال دارند، بزرگ‌نمایی می‌کند. شما همچنین می توانید پیش سیناپس ها (فیروزه ای)، بخشی از نورون که سیگنال های شیمیایی را ارسال می کند، مشاهده کنید. و پس سیناپس ( سرخابی)، بخشی از نورون که سیگنال های شیمیایی را دریافت می کند.

در ساعت 1:45، ویدئو روی خارهای دندریتیک زوم می‌کند، که برآمدگی‌های قارچ‌مانند روی شاخه‌های عصبی هستند (زرد). این ساختارها که در نوک دندریت ها قرار دارند، سیگنال های ورودی را دریافت می کنند که به تکانه های الکتریکی تبدیل می شوند. اگرچه خارهای دندریتی به صورت سیاه و سفید با میکروسکوپ الکترونی تصویربرداری شده اند، اما قبلا هرگز در چنین مقیاس رنگارنگی تصویربرداری نشده بودند.

این ویدئو برگرفته از مقاله ای است که اخیراً در مجله Science منتشر شده است [1]، از آزمایشگاه های اد بویدن، MIT، کمبریج، و اریک بتزیگ، برنده جایزه نوبل، پردیس تحقیقاتی جانلیا از موسسه پزشکی هاوارد هیوز، اشبورن، ویرجینیا. مانند بسیاری از همکاری ها، این یکی نیز با کمی سابقه همراه است.

چهار سال پیش، آزمایشگاه Boyden میکروسکوپ گسترش (ExM) را توسعه داد. این تکنیک شامل تزریق یک هیدروژل ساخته شده از یک ماده شیمیایی مورد استفاده در پوشک های یکبار مصرف است. هیدروژل مولکول ها را در سلول از هم جدا می کند، معمولاً حدود 4.5 بار، اما همچنان آنها را برای وضوح تصویر قابل توجه در جای خود ثابت می کند. این ساختارها را با میکروسکوپ نوری قابل مشاهده می کند که معمولاً زیر حد وضوح هستند.

اگرچه روش اتساع با تعداد کمی از سلول‌ها در زیر میکروسکوپ نوری استاندارد به خوبی کار می‌کند، اما تا کنون در تصویربرداری از نمونه‌های بافت ضخیم‌تر موفق نبوده است. این به این دلیل است که روشن کردن بافت ضخیم‌تر سخت‌تر است و پر کردن نمونه با نور اغلب نشانگرهای فلورسنتی را که دانشمندان برای برچسب‌گذاری پروتئین‌ها استفاده می‌کنند، سفید می‌کند. سیگنال فقط ناپدید می شود.

برای بویدن، این مشکلی بود که باید حل می شد. از آنجایی که هدف آزمایشگاه او ردیابی عملکرد درونی مغز با جزئیات بی سابقه است، بویدن می خواهد مدارهای عصبی کامل را در بخش های نسبتاً ضخیم بافت تصویر کند، نه اینکه فقط به سلول های جداگانه نگاه کند.

پس از مدتی بحث، تیم Boyden به این نتیجه رسید که بهترین راه حل ممکن است جایگزینی منبع نور برای میکروسکوپ استاندارد با یک ابزار تصویربرداری نسبتاً جدید باشد که در آزمایشگاه Betzig توسعه یافته است. این میکروسکوپ نوری گریتینگ (LLSM) نامیده می‌شود و این ابزار ورقه‌های بسیار نازکی از نور تولید می‌کند که بافت را فقط در یک صفحه بسیار باریک روشن می‌کند و به طور چشمگیری سفید شدن نشانگرهای فلورسنت مربوط به نور را در نمونه بافت کاهش می‌دهد. این به LLSM اجازه می‌دهد تا محدوده جذب تصویر خود را گسترش دهد و به سرعت تصاویری با وضوح شگفت‌انگیز ارائه دهد.

تماس‌های تلفنی برقرار شد و آزمایشگاه بتزیگ به زودی از Ruixuan Gao، Shoh Asano و همکارانش از آزمایشگاه Boyden استقبال کرد تا قدرت خود را در ترکیب این دو تکنیک امتحان کنند. همانطور که ویدیوی بالا نشان می دهد، ExLLSM یک تطابق تکنولوژیکی کامل است. علاوه بر فیلم بالا، تیم از ExLLSM برای ارائه نماهای بی سابقه ای از طیف وسیعی از نمونه ها، از کلیه انسان گرفته تا دسته های نورون در مغز مگس میوه استفاده کرد.

ExLLSM نه تنها وضوح فوق العاده، بلکه فوق العاده سریع است. در واقع، این تیم از کل مغز مگس میوه در 2 و نیم روز تصویربرداری کردند – تلاشی که با استفاده از میکروسکوپ الکترونی سال ها طول می کشید.

ExLLSM احتمالا هرگز قدرت میکروسکوپ الکترونی یا میکروسکوپ نوری فلورسانس استاندارد را جایگزین نخواهد کرد. با این حال، این رویکرد جدید تصویربرداری ترکیبی به عنوان یک ابزار اضافی برای تحقیقات بیولوژیکی بسیار نویدبخش است. هر چه محققان رویکردهای تصویربرداری نوآورانه تری در جعبه ابزار خود داشته باشند، برای تلاش های مداوم ما برای کشف اسرار مغز و سایر سیستم های پیچیده بیولوژیکی بهتر است. و بله، همه این سیستم ها پیچیده هستند. این زندگی است که ما در مورد آن صحبت می کنیم!

ارجاع: [1] تصویربرداری ستون کورتیکال و کل مغز با کنتراست مولکولی و وضوح نانو. Gao R، Asano SM، Upadhyayula S، Pisarev I، Milkie DE، Liu TL، Singh V، Graves A، Huynh GH، Zhao Y، Bogovic J، Colonell J، Ott CM، Zugates C، Tappan S، Rodriguez A، Mosaliganti KR ، Sheu SH، Pasolli HA، Pang S، Xu CS، Megason SG، Hess H، Lippincott-Schwartz J، Hantman A، Rubin GM، Kirchhausen T، Saalfeld S، Aso Y، Boyden ES، Betzig E. Science. 18 ژانویه 2019; 363 (6424).