Investigadores de la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE han aprovechado las técnicas avanzadas de microscopía de rayos X existentes para cerrar la brecha entre la MRI imágenes por resonancia magnética y la microscopía electrónica, proporcionando una vía viable paraimágenes de todo el cerebro a múltiples escalas dentro del mismo cerebro.cerebro.
El avance, que se publicó el 9 de junio en NeuroImagen, permitirá a los científicos conectar biomarcadores a nivel microscópico y macroscópico, mejorando la resolución de las imágenes de resonancia magnética y brindando un mayor contexto para la microscopía electrónica.
"Nuestro laboratorio está realmente interesado en mapear cerebros en múltiples escalas para obtener una descripción imparcial de cómo se ven los cerebros", dijo el autor principal Narayanan "Bobby" Kasthuri, MD, profesor asistente de neurobiología en UChicago e investigador de neurociencia en Argonne. "Cuando me uní a la facultad aquí, una de las primeras cosas que aprendí fue que Argonne tenía este microscopio de rayos X extremadamente poderoso y que aún no se había utilizado para mapear el cerebro, así que decidimos probarlo".
El microscopio utiliza un tipo de imagen llamada tomografía de rayos X basada en sincrotrón, que puede compararse con una "micro-CT" o tomografía microcomputerizada. Gracias a los potentes rayos X producidos por el acelerador de partículas sincrotrónen Argonne, los investigadores pudieron obtener imágenes de todo el cerebro del ratón aproximadamente un centímetro cúbico con una resolución de una micra, 1/10 000 de centímetro. Les tomó aproximadamente seis horas recolectar imágenes de todo el cerebro, sumandoa alrededor de 2 terabytes TB de datos. Este es uno de los enfoques más rápidos para obtener imágenes de todo el cerebro en este nivel de resolución.
La IRM puede generar rápidamente imágenes de todo el cerebro para rastrear los tractos neuronales, pero la resolución no es suficiente para observar neuronas individuales o sus conexiones. En el otro extremo de la escala, la microscopía electrónica EM puede revelar los detalles de las sinapsis individuales,pero genera una enorme cantidad de datos, lo que dificulta desde el punto de vista computacional la observación de piezas de tejido cerebral con un volumen superior a unos pocos micrómetros.MRI o EM, lo que hace imposible utilizar el mismo tejido cerebral para obtener imágenes en todas las escalas.
Los investigadores se dieron cuenta rápidamente de que su nuevo enfoque de micro-CT, o μCT, podría ayudar a cerrar esta brecha de resolución existente. "Ha habido muchos estudios de imágenes en los que las personas usan MRI para observar todo el nivel del cerebro y luego intentan validaresos resultados usando EM, pero hay una discontinuidad en las resoluciones", dijo el primer autor Sean Foxley, PhD, profesor asistente de investigación en UChicago. "Es difícil decir algo sobre el gran volumen de tejido que se ve con una resonancia magnética cuando estás mirandoen un conjunto de datos EM, y los rayos X pueden cerrar esa brecha. Ahora finalmente tenemos algo que nos permite mirar a través de todos los niveles de resolución sin problemas".
Combinando su experiencia en MRI y EM, Foxley, Kasthuri y el resto de su equipo optaron por intentar mapear el cerebro de un solo ratón utilizando estos tres enfoques. "¿Por qué elegimos el cerebro del ratón? Porque cabe en el microscopio".dijo Kasthuri con una sonrisa. "Pero también, el ratón es el caballo de batalla de la neurociencia; son muy útiles para analizar diferentes condiciones experimentales en el cerebro".
Después de recolectar y preservar el tejido, el equipo colocó la muestra en un escáner de resonancia magnética para recopilar imágenes estructurales de todo el cerebro. Luego, se colocó en una plataforma giratoria en el escáner μCT en Advanced Photon Source, una oficina deScience User Facility, para recopilar los datos de TC antes de que se identificaran regiones específicas de interés en el tronco encefálico y el cerebelo para la orientación de EM.
Después de meses de procesamiento de datos y rastreo de imágenes, los investigadores determinaron que podían usar los marcadores estructurales identificados en la resonancia magnética para localizar subgrupos neuronales específicos en regiones designadas del cerebro, y que podían rastrear el tamaño y la forma de cuerpos celulares individualesTambién pudieron rastrear los axones de neuronas individuales a medida que viajaban por el cerebro, y pudieron conectar la información de las imágenes de μCT con lo que vieron a nivel sináptico con el EM.
Este enfoque, dice el equipo, no solo será útil para obtener imágenes del cerebro con la resolución μCT, sino también para informar las imágenes de MRI y EM.
"Imágenes de un cubo de 1 milímetro del cerebro con EM, que es el equivalente a la resolución mínima de una imagen de resonancia magnética, produce casi un millón de gigabytes de datos", dijo Kasthuri. "Y eso es solo mirar un 1-¡Cubo milimétrico! No sé qué está pasando en el siguiente cubo, o en el siguiente, así que realmente no tengo contexto para lo que estoy viendo con EM. La resonancia magnética puede proporcionar algo de contexto, excepto que la escala es demasiado grande para salvarla.Ahora bien, este μCT nos brinda el contexto necesario para nuestro trabajo de EM".
En el otro extremo de la escala, Foxley está entusiasmado con la forma en que este enfoque puede ser útil para comprender el cerebro vivo a través de resonancias magnéticas. "Esta técnica nos brinda una manera muy clara de identificar cambios en la microestructura del cerebro cuando hay unenfermedad o lesión presente", dijo. "Así que ahora podemos comenzar a buscar biomarcadores con la μCT que luego podemos rastrear hasta lo que vemos en la resonancia magnética en el cerebro vivo. La radiografía nos permite ver cosas en elnivel celular, entonces podemos preguntar, ¿qué cambió a nivel celular que produjo un cambio global en la señal de resonancia magnética a nivel macroscópico?"
Los investigadores ya están usando esta técnica para comenzar a explorar preguntas importantes en neurociencia, observando los cerebros de ratones que han sido modificados genéticamente para desarrollar la enfermedad de Alzheimer para ver si pueden rastrear las placas Ab vistas con μCT hasta cambios medibles en la resonancia magnéticaexploraciones, especialmente en las primeras etapas de la enfermedad.
Es importante destacar que, debido a que este trabajo se realizó en el laboratorio nacional, este recurso será abierto y de libre acceso para otros científicos de todo el mundo, lo que hará posible que los investigadores comiencen a hacer y responder preguntas que abarcan todo el cerebro y llegan hasta elnivel sináptico.
Por el momento, sin embargo, el equipo de UChicago está más interesado en continuar refinando la técnica. "El siguiente paso es hacer un cerebro de primate completo", dijo Kasthuri. "El cerebro de ratón es posible y útil para modelos patológicos.Pero lo que realmente quiero hacer es obtener una imagen del cerebro de un primate completo hasta el nivel de cada neurona y cada conexión sináptica. Y una vez que hagamos eso, quiero hacer un cerebro humano completo".
El estudio, "Imágenes multimodales del cerebro de un solo ratón en cinco órdenes de magnitud de resolución", fue apoyado por un Premio a la Innovación Técnica de la Fundación McKnight, una subvención de la Iniciativa Cerebral U01 MH109100, la Fundación Nacional de Ciencias,el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares F31NS113571 y los Institutos Nacionales de Salud R01EB026300, S10-OD025081, S10-RR021039 y P30-CA14599. Otros autores incluyen a Vandana Sampathkumar, Scott Trinkle, Anastasia Sorokina, Katrina Norwood,y Patrick La Riviere de UChicago y Vincent De Andrade del Laboratorio Nacional de Argonne.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Centro Médico de la Universidad de Chicago. Original escrito por Alison Caldwell, PhD. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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