Трехдневная съемка позволила получить кинематографичную карту мозга мухи в высоком разрешении
Новая технология позволяет "пролететь" через мозг плодовой мушки и исследовать любые из 40 миллионов синапсов — мест контакта нейронов. Это сверхвысокое разрешение демонстрирует сложные нейронные связи в мозге насекомого, лежащие в основе поведения от питания до спаривания.
Беспрецедентно то, что эта 3D-карта всего мозга мухи, показывающая детали размером до 60 нанометров, была получена менее чем за три дня.
Хотя уровень детализации пока не так хорош, как у электронного микроскопа (EM), полное картирование нейронов и синапсов мозга мухи с помощью EM заняло 10 лет и усилия десятков людей. Новая карта была получена в тысячу раз быстрее благодаря комбинации двух передовых методов: экспансионной микроскопии и решетчатой светлопольной микроскопии.
Комбинация экспансионной и светлопольной микроскопии
Новая техника сканирования мозга стала возможной после объединения методов:
- Экспансионная микроскопия (ExM): фиксированная ткань пропитывается полиакриламидным гелем (как в подгузниках) и расширяется в 4 раза (объем увеличивается в 64 раза) при переносе в чистую воду, сохраняя относительное положение внутренних структур.
- Решетчатая светлопольная микроскопия (LLSM): использует сфокусированные лучи света для быстрой сборки 3D-изображения образца слой за слоем.
После расширения мозговая ткань становится почти такой же прозрачной, как вода, и неискаженной, что позволяет LLSM создавать детальное изображение на уровне отдельных синапсов с разрешением около 60 нанометров (в 10 раз меньше, чем у EM). Многоцветная съемка заняла 62,5 часа.
Результаты и потенциал
Метод ExLLSM был протестирован на:
- Всем мозге плодовой мушки (Drosophila): удалось подсчитать все синапсы — около 40 миллионов.
- Фрагменте мозга мыши (толщиной в миллиметр): с аналогичными результатами.
Нобелевский лауреат Эрик Бетциг прогнозирует, что с улучшением экспансионной микроскопии (уже есть расширение в 25 раз по каждому направлению) комбинированные методы могут достичь результатов, близких к EM, для картирования нейронных связей (коннектомики), но намного быстрее и дешевле.
Принцип работы и ограничения
Оба метода основаны на мечении белков в ткани флуоресцентными маркерами. В ExM ткань после мечения превращается в "флуоресцентный фантом", который расширяется. LLSM сканирует образец тонким световым слоем (~400 нм), собирая данные (почти 10 ТБ на сканирование), которые затем преобразуются в 3D-изображение.
Ограничения метода:
- Сложность присоединения достаточного количества флуоресцентных меток для четкого изображения при высоком разрешении.
- Многоэтапная обработка в ExM может приводить к появлению артефактов, что требует тщательной валидации результатов.
Исследование, проведенное командами Эрика Бетцига (Калифорнийский университет в Беркли) и Эдварда Бойдена (MIT), опубликовано в журнале Science.