LICONN: новый метод микроскопии реконструирует ткань мозга млекопитающих с синаптической детализацией

Ученые из Института науки и технологий Австрии (ISTA) и Google Research разработали новый метод микроскопии "LICONN" (light-microscopy-based connectomics). Это первая технология, помимо электронной микроскопии, способная реконструировать ткань мозга со всеми синаптическими связями между нейронами, используя стандартные световые микроскопы.

Суть метода

  • Принцип работы: LICONN действует как "сборщик пазлов", собирая тончайшие нейронные отростки и правильно связывая каждый синапс с соответствующим нейроном.
  • Ключевая инновация: Метод позволяет визуализировать сложные молекулярные механизмы (например, молекулы, участвующие в синаптической передаче) в контексте структурной реконструкции нейронов.
  • Доступность: Изображения получают на стандартном серийном микроскопе, что делает метод воспроизводимым по всему миру без необходимости в дорогом оборудовании.

Технология увеличения с помощью гидрогеля

Для достижения необходимого разрешения (лучше 20 нм, что в 10 000 раз меньше ширины человеческого волоса) используется гидрогель:

  1. Исследуемая ткань мозга внедряется в гидрогель, и ультраструктура клеток "отпечатывается" на нем.
  2. Перед визуализацией в материал добавляют воду, что заставляет гель равномерно расширяться во всех направлениях.
  3. Расширение раздвигает элементы ткани мозга настолько, что их можно разрешить на стандартном световом микроскопе. Эффективное разрешение увеличивается в 16 раз.

Междисциплинарный подход

Разработка LICONN объединила несколько областей:

  • Нейронауки и химия: для подготовки образцов и экспериментов.
  • Компьютерные науки (Google Research): для автоматизации анализа. Методы глубокого обучения (ИИ) обучали сегментировать отдельные клетки в ткани, что сделало масштабную реконструкцию практически выполнимой задачей.
  • Обработка данных (ISTA): алгоритмы автоматически обнаруживают синаптические связи и преобразуют сырые данные визуализации в подробные карты связности.

Значение и перспективы

LICONN позволяет:

  • Создавать детальные 3D-визуализации архитектуры мозга нового уровня сложности.
  • Наносить на нейронные реконструкции расположение специфических молекул.
  • Сделать шаг к сбору "пазлов" мозга млекопитающих и лучшему пониманию его работы в здоровье и при болезнях.

Метод опубликован в журнале Nature.