Νέα τεχνική ξεπερνά τεχνολογικό φράγμα στην τρισδιάστατη απεικόνιση του εγκεφάλου
Επιστήμονες από το Swiss Light Source (SLS) πέτυχαν μια σημαντική ανακάλυψη, χαρτογραφώντας ένα κομμάτι εγκεφαλικού ιστού σε τρισδιάστατη μορφή με απαράμιλλη ανάλυση, χρησιμοποιώντας ακτίνες Χ. Αυτή η πρόοδος ξεπερνά ένα μακροχρόνιο τεχνολογικό εμπόδιο που είχε περιορίσει τη χρήση των ακτίνων Χ σε τέτοιες μελέτες.
Μια νέα εποχή στην απεικόνιση του εγκεφάλου
Με την ολοκλήρωση της αναβάθμισης του SLS, ανοίγει ο δρόμος για την απεικόνιση πολύ μεγαλύτερων δειγμάτων εγκεφαλικού ιστού με υψηλή ανάλυση, προσφέροντας νέες δυνατότητες κατανόησης της πολύπλοκης αρχιτεκτονικής του. Η μελέτη, που είναι αποτέλεσμα συνεργασίας μεταξύ του PSI και του Francis Crick Institute του Ηνωμένου Βασιλείου, δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Methods.
Ο εγκέφαλος θεωρείται ένα από τα πιο περίπλοκα βιολογικά συστήματα που υπάρχουν. Όπως εξηγεί ο Adrian Wanner, επικεφαλής της Ομάδας Έρευνας Δομικής Νευροβιολογίας στο Paul Scherrer Institute (PSI), η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι νευρώνες συνδέονται μεταξύ τους είναι το κλειδί για την ανακάλυψη νέων γνώσεων στον τομέα της συνδετομικής.
Η πολυπλοκότητα του εγκεφάλου
«Σκεφτείτε το ήπαρ: γνωρίζουμε περίπου 40 τύπους κυττάρων, πώς είναι οργανωμένα και ποιες είναι οι λειτουργίες τους. Αυτό δεν ισχύει για τον εγκέφαλο», επισημαίνει ο Wanner. «Η διαφορά δεν είναι στα κύτταρα, αλλά στο πώς είναι οργανωμένα και συνδεδεμένα». Στο ένα κυβικό χιλιοστό εγκεφαλικού ιστού υπάρχουν περίπου 100.000 νευρώνες, συνδεδεμένοι μέσω 700 εκατομμυρίων συνάψεων και 4 χιλιομέτρων ‘καλωδίων’.
Η σύνδεση αυτών των νευρώνων μέσω των συνάψεων καθορίζει τη λειτουργία του εγκεφάλου και σχετίζεται με ασθένειες όπως η νόσος Αλτσχάιμερ. Ωστόσο, η πολυπλοκότητα αυτής της καλωδίωσης σε τρεις διαστάσεις είναι εξαιρετικά δύσκολο να μελετηθεί. «Αν πάρουμε ένα νευρωνικό δίκτυο με 17 νευρώνες, υπάρχουν περισσότερες δυνατότητες σύνδεσής τους απ’ ότι άτομα στο σύμπαν», λέει ο Wanner. «Δεν μπορούμε απλώς να το μοντελοποιήσουμε. Πρέπει να το μετρήσουμε».
Μια επαναστατική προσέγγιση
Η τρέχουσα μέθοδος απεικόνισης για αυτόν τον τύπο μελέτης είναι η ηλεκτρονική μικροσκοπία όγκου. Αυτή η διαδικασία απαιτεί την κοπή κυβικών χιλιοστών εγκεφαλικού ιστού σε δεκάδες χιλιάδες υπερλεπτές τομές, οι οποίες στη συνέχεια απεικονίζονται και ανασυντίθενται υπολογιστικά, μια διαδικασία που είναι επιρρεπής σε σφάλματα και οδηγεί σε απώλεια πληροφοριών.
Η λύση βρίσκεται στις ακτίνες Χ, οι οποίες μπορούν να διεισδύσουν σε χιλιοστά ή και εκατοστά, επιτρέποντας την απεικόνιση μεγαλύτερων κομματιών εγκεφαλικού ιστού χωρίς την ανάγκη κοπής. Στην ακτινοβολία cSAXS του SLS, οι ακτίνες Χ υψηλής φωτεινότητας έχουν επιτρέψει την απεικόνιση τσιπ υπολογιστών με ανάλυση μόλις 4 νανομέτρων – ένα παγκόσμιο ρεκόρ.
Ωστόσο, για τα βιολογικά ιστούς, το πρόβλημα είναι η αντίθεση. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν βαφές με βαρέα μέταλλα για να αυξήσουν την αντίθεση, αλλά αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απορρόφηση των ακτίνων Χ, προκαλώντας παραμορφώσεις στα δείγματα. Η νέα προσέγγιση που ανέπτυξαν ο Wanner και οι συνεργάτες του περιλαμβάνει μια εποξειδική ρητίνη που μπορεί να διεισδύσει στα βιολογικά ιστούς, προσφέροντας μια ελπιδοφόρα λύση σε αυτό το πρόβλημα.
