Nowe mapy mózgu myszy o wysokiej rozdzielczości zapewniają naukowcom cenny wgląd w rozwój mózgu i stanowią potężne narzędzie do badania zaburzeń neurorozwojowych.
Naukowcy z Penn State College of Medicine, we współpracy z pięcioma innymi instytutami, opracowali trójwymiarowy atlas przedstawiający rozwój mózgów myszy przy użyciu zaawansowanych technik obrazowania i mikroskopii. Ten innowacyjny atlas oferuje kompleksowy, 360-stopniowy obraz całego mózgu ssaków w okresie embrionalnym i we wczesnym okresie poporodowym. Służy jako cenne źródło informacji i ramy anatomiczne, pomagając badaczom w badaniu rozwoju mózgu i zaburzeń neurorozwojowych.
Niedawno opublikowali swoją pracę 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”.
Znaczenie atlasów 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 między 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 tej 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 wspólny szkielet współrzędnych mózgu myszy w siedmiu punktach czasowych rozwoju – czterech punktach 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.
Stworzenie trójwymiarowego Atlasu Mózgu
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 platformę interaktywna wersja internetowa który jest publicznie dostępny i bezpłatny. Celem jest znaczne obniżenie barier technicznych utrudniających naukowcom na całym świecie dostęp do tego zasobu.
„To zapewnia plan działania, który umożliwia zintegrowanie wielu różnych danych – genomicznych, neuroobrazowych, mikroskopowych i innych – w tej samej infrastrukturze danych. Będzie to motorem kolejnej ewolucji badań nad mózgiem uczenie maszynowe I sztuczna inteligencja– powiedział Kim.
Odniesienie: „Wspólne ramy współrzędnych rozwojowego mózgu myszy” autorstwa Fae N. Kronman, Josephine K. Liwang, Rebecca Betty, Daniel J. Vanselow, Yuan-Ting Wu, Nicholas J. Tustison, Ashwin Bhandiwad, Steffy B. Manjila, Jennifer A. Minteer, Donghui Shin, Choong Heon Lee, Rohan Patil, Jeffrey T. Duda, Jian Xue, Yingxi Lin, Keith C. Cheng, Luis Puelles, James C. Gee, Jiangyang Zhang, Lydia Ng i Yongsoo Kim, 21 października 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-53254-w
Inni autorzy artykułu z Penn State College of Medicine to: Fae Kronman, studentka studiów doktoranckich w ramach programu szkoleniowego dla lekarzy i naukowców medycznych; Josephine Liwang, doktorantka; Rebecca Betty, technolog badań; Daniel Vanselow, kierownik projektu badawczego; Steffy Manjila, doktorantka; Jennifer Minteer, technolog badań; Donghui Shin, technolog badań; Rohan Patil, student; oraz Keith Cheng, wybitny profesor katedry patologii.
Nicholas Tustison ze Szkoły Medycznej Uniwersytetu Wirginii; Ashwin Bhandiwad i Lydia Ng z Allen Institute for Brain Science; Choong Heon Lee i Jiangyang Zhang w Grossman School of Medicine na Uniwersytecie Nowojorskim; Jeffrey Duda i James Gee w Uniwersytet Pensylwanii; Jian Xue i Yingxi Lin z Centrum Medycznego Południowo-Zachodniego Uniwersytetu Teksasu; Luis Puelles na Universidad de Murcia; oraz Yuan-Ting Wu, który wcześniej był pracownikiem naukowym w Penn State, a obecnie pracownikiem naukowym projektu w Cedars-Sinai Medical Center, również wnieśli swój wkład w powstanie artykułu.
The Narodowe Instytuty ZdrowiaPrace te wsparto grantami RF1MH12460501 z inicjatywy Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN), R01NS108407, R01MH116176 i R01EB031722.
