Tehnica de scanare cu raze X care ar putea arăta cum se formează gândurile

Unul dintre marile eforturi în neuroștiințe este de a construi o hartă precisă a creierului, care să reprezinte toți neuronii și conexiunile dintre ei. O astfel de schemă de cablare, numită conectom, promite înțelegerea modului în care o colecție de celule poate da naștere la gânduri, amintiri, comportamente și nenumărate alte funcții.

Cercetătorii de la Harvard Medical School, Boston Children’s Hospital și European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) au demonstrat că o nouă tehnică de microscopie cu raze X ar putea ajuta la accelerarea eforturilor de cartografiere a circuitelor neurale și, în cele din urmă, a creierului în sine.

Echipa descrie modul în care nanotomografia holografică cu raze X (XNH) poate fi utilizată pentru a crea imaginea unui volum relativ mare al creierului.

Imaginile scanate au fost combinate cu analiza imaginii bazată pe inteligență artificială, iar cercetătorii au reușit să reconstituie circuitele neuronale dense în 3D, catalogând în mod cuprinzător neuronii și urmărind chiar neuronii individuali de la mușchi la sistemul nervos central într-un experiment făcut pe muștele de fructe.

“Credem că acest lucru va deschide noi căi pentru înțelegerea creierului, atât în ​​ceea ce privește modul în care este organizat, cât și circuitele care stau la baza funcției sale”, a declarat Wei-Chung Allen Lee, profesor asistent HMS de neurologie la Boston Children’s.

“Acest tip de cunoștințe ne poate oferi informații fundamentale despre tulburările neurologice, boli care afectează structura creierului și multe altele”.

Pentru problematici biologice precum descoperirea circuitului neuronal, microscopia cu raze X deține mai multe avantaje față de abordările actuale bazate pe microscopia electronică (EM), potrivit autorilor.

“Credem că XNH poate aduce multă valoare neurologiei, pentru că acum putem accesa volume mult mai mari în perioade mai scurte”, a declarat autorul corespondent Alexandra Păcureanu, om de știință la ESRF. “Acesta este începutul unei noi abordări pentru eforturile de cartografiere a circuitelor neuronale”.

Tehnologia ajunge la o rapiditate apropiată de viteza luminii

Studierea conectomului este o provocare monumentală. Creierul uman conține aproximativ 100 de miliarde de neuroni cu 100 de miliarde de conexiuni neuronale, aproximativ numărul de stele din 1.000 de galaxii.

Pentru a face acest studiu, laboratorul lui Lee, care studiază organizarea și funcția circuitelor neuronale, a colaborat cu Alexandra Păcureanu, specializată în microscopie cu raze X și neuroimagistică.

Echipa s-a concentrat pe aplicarea XNH pe țesutul neuronal. Tehnica funcționează în mod similar cu o scanare CT, care utilizează o radiografie rotativă pentru a crea imagini în secțiune transversală serială a unui corp.

În schimb, XNH expune un eșantion rotativ de țesut la raze X cu energie ridicată produsă de sincrotronul ESRF, care accelerează electronii până la viteze apropiate de viteza luminii în jurul unui inel de 844 metri.

XNH creează imagini pe baza variațiilor schimbărilor de fază ale fasciculului induse de eșantion. Această din urmă abordare crește sensibilitatea și, combinată cu imagistica în condiții criogenice, ajută la conservarea și protejarea specimenului de deteriorarea produsă  de energia cu raze X.

Imaginile generate de XNH trebuie interpretate pentru a identifica ce structuri sunt neuroni. Echipa a abordat acest lucru aplicând algoritmi de învățare profundă, o tehnică de inteligență artificială utilizată din ce în ce mai mult pentru aplicații precum recunoașterea feței sau a obiectelor.

Cercetătorii au scanat volume de țesut neuronal și au reconstituit imagini 3D, obținând rezoluții în jurul a 87 nanometri. Acest lucru a fost suficient pentru a vizualiza în mod cuprinzător neuroni și a urmări neurite individuale, proiecțiile din neuroni care formează cablarea circuitelor neuronale.

Foarte important, realizarea acestor reconstrucții a durat câteva zile, în comparație cu lunile sau anii necesari pentru a reconstrui volume similare utilizând secțiuni EM seriale.

“Abilitatea de a vizualiza neuronii ne ajută să înțelegem principiile organizaționale ale creierului și modul în care diferite circuite sau rețele pot efectua calcule care sunt necesare pentru comportament”, a spus Lee.

“Putem face apoi experimente suplimentare pentru a lega datele structurale de experimente funcționale”.

Cercetătorii lucrează acum la îmbunătățirea și optimizarea în continuare a XNH pentru imagistica țesutului biologic.

Rezoluția actuală nu este încă suficient de mare pentru a vizualiza sinapsele, ceea ce înseamnă că în prezent sunt necesare încă date EM. Cu toate acestea, limitele fizice ale tehnicii sunt departe de a fi atinse, au spus autorii, iar eforturile de a împinge rezoluția vor fi ajutate de o sursă de raze X de generație următoare, operată recent la ESRF.