Zespół naukowców z Penn State College of Medicine i współpracownicy z pięciu różnych instytutów stworzył atlas 3D przedstawiający rozwój mózgów myszy przy użyciu zaawansowanych technik obrazowania i mikroskopii. Ten nowy atlas zapewnia bardziej dynamiczny, 360-stopniowy obraz całego mózgu ssaków w miarę jego rozwoju w okresie embrionalnym i bezpośrednio po urodzeniu, a także służy jako wspólne odniesienie i ramy anatomiczne, które pomogą badaczom zrozumieć rozwój mózgu i badać zaburzenia neurorozwojowe.
Opublikowali swoją pracę dzisiaj (21 października) w Komunikacja przyrodnicza.
„Mapy stanowią podstawową infrastrukturę, na której można budować wiedzę, ale nie mamy trójwymiarowego atlasu rozwijającego się mózgu w wysokiej rozdzielczości” – powiedział Yongsoo Kim, profesor nadzwyczajny nauk neuronowych i behawioralnych w Penn State College of Medicine oraz starszy autor badania papier. „Tworzymy mapy o wysokiej rozdzielczości, które możemy wykorzystać, aby zrozumieć, jak mózg rośnie w normalnych warunkach i co się dzieje, gdy pojawia się zaburzenie mózgu”.
Atlasy geograficzne to zbiór map zapewniających kompleksowy obraz geografii Ziemi, w tym granic między regionami i krajami, obiektów takich jak góry i rzeki oraz arterii komunikacyjnych, takich jak drogi i autostrady. Co ważne, zapewniają one wspólne zrozumienie, które pozwala użytkownikom wskazać konkretne lokalizacje i zrozumieć zależności przestrzenne pomiędzy regionami.
Podobnie atlasy mózgu są podstawą zrozumienia architektury mózgu. Pomagają naukowcom w wizualizacji przestrzennej organizacji mózgu oraz zrozumieniu jego struktury i funkcji oraz sposobu połączenia różnych regionów i neuronów. Wcześniej naukowcy ograniczali się do migawek opartych na histologii 2D, co utrudniało interpretację obszarów anatomicznych w trzech wymiarach i wszelkich zmian, które mogą wystąpić, powiedział Kim.
W ostatnich latach nastąpił ogromny postęp w technikach obrazowania całego mózgu, które umożliwiają badaczom oglądanie całego mózgu w wysokiej rozdzielczości i tworzenie wielkoskalowych zbiorów danych 3D. Aby przeanalizować te dane, wyjaśnił Kim, naukowcy opracowali trójwymiarowe atlasy referencyjne mózgu dorosłej myszy, które stanowią model mózgu ssaków. Atlasy zapewniają uniwersalne ramy anatomiczne, które umożliwiają badaczom nakładanie na siebie różnych zbiorów danych i przeprowadzanie analiz porównawczych. Nie ma jednak odpowiednika rozwijającego się mózgu myszy, który ulega szybkim zmianom w kształcie i objętości w okresie embrionalnym i poporodowym.
„Bez trójwymiarowej mapy rozwijającego się mózgu nie możemy zintegrować danych z pojawiających się badań 3D w standardowe ramy przestrzenne ani analizować danych w spójny sposób” – powiedział Kim. Innymi słowy, brak mapy 3D utrudnia rozwój badań nad neuronauką.
Zespół badawczy stworzył multimodalny, trójwymiarowy model współrzędnych mózgu myszy w siedmiu punktach czasowych rozwoju – czterech w okresie embrionalnym i trzech okresach bezpośrednio po urodzeniu. Za pomocą rezonansu magnetycznego uzyskali obrazy ogólnej formy i struktury mózgu. Następnie zastosowali mikroskopię fluorescencyjną z arkuszem świetlnym – technikę obrazowania umożliwiającą wizualizację całego mózgu z rozdzielczością pojedynczej komórki. Te obrazy o wysokiej rozdzielczości następnie dopasowano do kształtu szablonów MRI mózgu, aby stworzyć mapę 3D. Zespół zebrał próbki zarówno od samców, jak i samic myszy.
Aby zademonstrować, w jaki sposób atlas można wykorzystać do analizy różnych zbiorów danych i śledzenia powstawania poszczególnych typów komórek w rozwijającym się mózgu, zespół skupił się na neuronach GABAergicznych, czyli komórkach nerwowych odgrywających kluczową rolę komunikacyjną w mózgu. Ten typ komórek powiązano ze schizofrenią, autyzmem i innymi zaburzeniami neurologicznymi.
Chociaż naukowcy badali neurony GABAergiczne w najbardziej zewnętrznym obszarze mózgu zwanym korą, według badaczy niewiele wiadomo na temat tego, w jaki sposób komórki te powstają w całym mózgu podczas rozwoju. Zrozumienie, jak te skupiska komórek rozwijają się w normalnych warunkach, może być kluczem do oceny, co się stanie, gdy coś pójdzie nie tak.
Aby ułatwić współpracę i dalszy postęp w badaniach z zakresu neuronauki, zespół stworzył interaktywną wersję internetową, która jest publicznie dostępna i bezpłatna. Celem jest znaczne obniżenie barier technicznych utrudniających naukowcom na całym świecie dostęp do tego zasobu.
„To stanowi plan działania, który umożliwia zintegrowanie wielu różnych danych – genomicznych, neuroobrazowych, mikroskopowych i innych – w tej samej infrastrukturze danych. Będzie to impuls do dalszej ewolucji badań nad mózgiem napędzanych uczeniem maszynowym i sztuczną inteligencją” – powiedział Kim .
