20-кратне розтягнення мозку дозволило розглянути будову синапсів

Американські вчені вдосконалили методику мікроскопії, засновану на фізичному збільшенні розмірів зразків мозку. У нинішньому вигляді вона дозволяє візуалізувати структури, що формують синапс, за допомогою звичайного світлового мікроскопа. Опис методу наводиться в журналі Nature Methods.




Візуалізація за допомогою світлової мікроскопії обмежена дифракційною межею до максимального дозволу приблизно в 300 нанометрів. Щоб подолати це обмеження, співробітники Массачусетського технологічного інституту і Гарвардського університету недавно розробили методику мікроскопії розтягування (expansion microscopy, ExM). Вона полягає в тому, що зразок тканини мозку обробляють набором антитіл і флуоресцентних білків, які позначають структури, що цікавлять вчених, після чого цей зразок просочують гелем з поліакриламіду, який і фіксує положення мічених біомолекул, і механічно гомогенізують.

При зануренні у воду гель рівномірно збільшується приблизно в 4,5 рази від початкового об’єму, зафіксовані в ньому структури також збільшуються пропорційно. Це підвищує дозвіл світлової мікроскопії приблизно до 60-70 (~ 300/4,5) нанометрів. Проте, для візуалізації формуючих синапси структур (наприклад, шипиків дендритів — місць контакту з аксонами інших нейронів) цього недостатньо.

Щоб додатково підвищити роздільну здатність методу, той же науковий колектив запропонував проводити підготовку зразка в дві стадії. Перша стадія виконується так само, як оригінальна ExM з використанням полімеризуючого гель складу, який згодом можна видалити. Друга стадія проводиться аналогічно першій, тільки в ній в якості вихідного зразка використовується вже розтягнутий гель з міченими молекулами, який перед повторним розтягуванням вимивають.


20-кратне розтягнення мозку дозволило розглянути будову синапсів

Принцип дії методики
Jae-Byum Chang et al./Nature Methods 2017

Отриманий зразок добре підходить для об’ємного сканування світловим мікроскопом в силу своєї прозорості — він приблизно на 99,99 проценти складається з води і полімеру.

Така методика, що отримала назву мікроскопії ітеративного розтягування (iterative expansion microscopy, iExM), дозволяє збільшити зразок ще приблизно в 4,5 рази, що відповідає приблизно 20-кратному розтягуванню від початкового об’єму. Завдяки цьому роздільна здатність світлової мікроскопії дозволяє розглядати структури з початковим розміром близько 25 нанометрів.

В експерименті метод iExM дозволив візуалізувати і провести тривимірну реконструкцію будови синапсів і розгалуження дендритів нейронів різних структур мишачого мозку (зокрема, гіпокампу і блідої кулі) і простежити за окремими нейронними ланцюгами в них, для чого у звичайній світловій мікроскопії і ExM недостатньо роздільної здатності.

Методики вивчення нервової тканини постійно удосконалюються. Так, наприклад, нейробіологи навчилися штучно створювати нейронні ансамблі, друкувати аналоги мозкової тканини на 3D-принтері, відновлювати втрачені нейрональні зв’язки світлом і зберігати їх при заморожуванні зразків, а також спостерігати за епігенетичною регуляцією роботи мозку в реальному часі.



Тривимірне моделювання конектома у фрагменті щурячого гіпокампу дозволило переглянути класифікацію синапсів і дати нову оцінку інформаційної ємності мозку — на думку вчених, вона перевищує петабайт, що приблизно відповідає обсягу всієї інформації в інтернеті.

Також сучасні методики візуалізації і роботи з даними дозволили дослідникам побудувати повну модель конектома дрозофіли і створити атлас людського мозку з мікронною роздільною здатністю.

Джерело: https://nplus1.ru

Залишити відповідь