As tecnologias permitem imagens 3D de hemisférios cerebrais humanos inteiros em resolução subcelular

“Realizamos imagens holísticas de tecidos cerebrais humanos em múltiplas resoluções, desde sinapses únicas até hemisférios cerebrais inteiros, e disponibilizamos esses dados”, disse o autor sênior e correspondente Kwanghun Chung, professor associado do Instituto Picower de Aprendizagem e Memória, dos Departamentos de Engenharia Química e Ciências do Cérebro e Cognitivas, e o Instituto de Engenharia Médica e Ciência do MIT. “Este pipeline de tecnologia realmente nos permite analisar o cérebro humano em múltiplas escalas. Potencialmente, esse pipeline pode ser usado para mapear completamente o cérebro humano.”

O novo estudo ainda não apresenta um mapa ou atlas abrangente de todo o cérebro, no qual cada célula, circuito e proteína é identificada e analisada, mas com imagens hemisféricas completas, demonstra um conjunto integrado de três tecnologias para permitir essa e outras soluções de longa duração. -procurou investigações em neurociências. A pesquisa fornece uma “prova de conceito”, mostrando numerosos exemplos do que o pipeline torna possível, incluindo paisagens abrangentes de milhares de neurônios em regiões cerebrais inteiras, diversas florestas de células, cada uma com detalhes individuais, e tufos de estruturas subcelulares aninhadas entre moléculas extracelulares. . Os pesquisadores também apresentam uma rica variedade de comparações analíticas quantitativas focadas em uma região escolhida nos hemisférios com e sem Alzheimer.

A importância de ser capaz de visualizar hemisférios inteiros do cérebro humano intactos e até a resolução de sinapses individuais (as minúsculas conexões que os neurônios forjam para formar circuitos) é dupla para a compreensão do cérebro humano na saúde e na doença, disse Chung.

Por um lado, permitirá aos cientistas realizar explorações integradas de questões utilizando o mesmo cérebro, em vez de terem de, por exemplo, observar fenómenos diferentes em cérebros diferentes, que podem variar significativamente, e depois tentar construir uma imagem composta do todo. sistema. Uma característica fundamental do novo pipeline tecnológico é que a análise não degrada o tecido. Pelo contrário, torna os tecidos extremamente duráveis ​​e repetidamente re-rotuláveis ​​para destacar diferentes células ou moléculas, conforme necessário para novos estudos, potencialmente durante anos a fio. No artigo, a equipe de Chung demonstra o uso de 20 rótulos de anticorpos diferentes para destacar diferentes células e proteínas, mas já estão expandindo isso para cem ou mais.

“Precisamos ser capazes de ver todos esses diferentes componentes funcionais – células, sua morfologia e sua conectividade, arquiteturas subcelulares e suas conexões sinápticas individuais – idealmente dentro do mesmo cérebro, considerando as altas variabilidades individuais no cérebro humano e considerando a natureza preciosa das amostras de cérebro humano”, disse Chung. “Este pipeline tecnológico realmente nos permite extrair todas essas características importantes do mesmo cérebro de uma forma totalmente integrada.”

Por outro lado, a escalabilidade e o rendimento relativamente elevados do pipeline (a obtenção de imagens de um hemisfério cerebral inteiro depois de preparado demora 100 horas em vez de muitos meses) significa que é possível criar muitas amostras para representar diferentes sexos, idades, estados de doença e outros fatores que podem permitir comparações robustas com maior poder estatístico. Chung disse que prevê a criação de um banco de cérebros com imagens completas que os pesquisadores possam analisar e reetiquetar conforme necessário para novos estudos, a fim de fazer mais comparações do tipo que ele e os coautores fizeram com os hemisférios com e sem Alzheimer no novo papel.

Três inovações principais

Chung disse que o maior desafio que enfrentou para alcançar os avanços descritos no artigo foi construir uma equipe no MIT que incluía três jovens cientistas especialmente talentosos, cada um co-autor principal do artigo devido aos seus papéis-chave na produção das três principais inovações. Ji Wang, engenheiro mecânico e ex-pós-doutorado, desenvolveu o “Megatome”, um dispositivo para cortar hemisférios cerebrais humanos intactos tão finamente que não há danos a ele. Juhyuk Park, engenheiro de materiais e ex-pós-doutorado, desenvolveu a química que torna cada fatia do cérebro clara, flexível, durável, expansível e rotulável de forma rápida, uniforme e repetida – uma tecnologia chamada “mELAST”. Webster Guan, um ex-aluno de graduação em engenharia química do MIT com talento para desenvolvimento de software, criou um sistema computacional chamado “UNSLICE” que pode reunificar perfeitamente as placas para reconstruir cada hemisfério em 3D completo, até o alinhamento preciso de vasos sanguíneos individuais e axônios neurais. (os longos fios que eles estendem para estabelecer conexões com outros neurônios).

Nenhuma tecnologia permite obter imagens de toda a anatomia do cérebro humano em resolução subcelular sem primeiro cortá-lo, porque é muito espesso (tem 3.000 vezes o volume do cérebro de um rato) e opaco. Mas no Megatome, o tecido permanece intacto porque Wang, que agora trabalha em uma empresa fundada por Chung chamada LifeCanvas Technologies, projetou sua lâmina para vibrar de um lado para o outro mais rápido e ainda assim fazer uma varredura mais ampla do que os cortadores vibratome anteriores. Enquanto isso, ela também criou o instrumento para permanecer perfeitamente dentro de seu plano, disse Chung. O resultado são fatias que não perdem informações anatômicas na separação ou em qualquer outro lugar. E como o vibratome corta de forma relativamente rápida e pode cortar placas de tecido mais espessas (e, portanto, menos), um hemisfério inteiro pode ser fatiado em um dia, em vez de meses.

Uma das principais razões pelas quais as lajes na tubulação podem ser mais espessas vem do mELAST. Park projetou o hidrogel que infunde a amostra do cérebro para torná-la opticamente clara, virtualmente indestrutível, compre