Что происходит в мозгу, когда мы видим, слышим, думаем и запоминаем? Чтобы ответить на подобные вопросы, нейробиологам нужна информация о том, как миллионы нейронов мозга связаны друг с другом. Ученые из Института медицинских исследований Макса Планка в Гейдельберге сделали важный шаг к получению полной принципиальной схемы мозга мыши, ключевого модельного организма для нейробиологии. Исследовательская группа, работающая с Винфридом Денком, разработала метод подготовки всего мозга мыши к специальному процессу микроскопии. При этом разрешение, с которым можно исследовать ткань мозга, настолько велико, что видны тонкие продолжения почти каждого отдельного нейрона.
Нейроны передают информацию через свои расширения – аксоны – и образуют сложную сеть связей, которая обеспечивает основу для всей обработки информации в головном мозге. Анализ этой сети под микроскопом – одна из самых больших проблем, стоящих перед нейробиологами. Большинство аксонов имеют толщину менее одного микрометра, а некоторые даже меньше 100 нанометров. "Электронный микроскоп – единственный микроскоп с достаточно высоким разрешением, чтобы отдельные аксоны, расположенные рядом друг с другом, можно было отличить друг от друга," говорит Винфрид Денк. Несмотря на свой крошечный диаметр, аксоны могут становиться очень длинными и распространяться от одного конца мозга до другого. Чтобы получить общую картину мозга, исследователи должны проанализировать большие фрагменты ткани.
В 2004 году ученые, работающие с Денком, разработали новый метод, который позволил им сделать именно это: "серийный блок-фейс" сканирующая электронная микроскопия. Чтобы исследовать ткань этим методом, она должна быть зафиксирована, окрашена и заделана синтетическим материалом. Это работает для небольших кусочков ткани, но до сих пор это было невозможно для ткани размером с мозг мыши. В текущем исследовании Шону Микуле из отделения Денка удалось подготовить мозг мыши таким образом, чтобы он смог проанализировать его с помощью микроскопии лица и проследить аксоны. Исследовательская группа Макса Планка теперь хотела бы изобразить весь мозг с помощью "серийный блок-фейс" микроскоп, чтобы они могли изучать нейронные связи во всем мозге мыши.
В своем последнем исследовании исследователи из Гейдельберга продемонстрировали, что мозг мыши можно подготовить таким образом, чтобы его можно было анализировать целиком, используя "глухой" электронная микроскопия. Перед учеными стояла задача обработать большой кусок ткани так, чтобы он был равномерно закреплен и окрашен на всю глубину. Для этого они разработали сложный процесс, в котором мозг обрабатывают различными фиксирующими и окрашивающими растворами в течение нескольких дней.
С помощью сканирующей электронной микроскопии электронный луч сканирует поверхность среза ткани. Таким образом, одно изображение, полученное с помощью электронного микроскопа, соответствует поперечному сечению ткани. Чтобы получить трехмерное изображение ткани, ее разрезают на мелкие срезы с использованием традиционных методов, а затем их индивидуально исследуют под микроскопом. Такой подход не только утомителен, но и подвержен ошибкам. Блочная микроскопия решает эту проблему. Это включает в себя вставку всего кусочка ткани в микроскоп и сканирование поверхности. Только после этого разрезается тонкий срез, и сканируется нижний слой. Это упрощает объединение данных на компьютере.
При первоначальном анализе метода ученые проследили аксоны 50 случайно выбранных нейронов и пометили их вручную. Аксоны можно четко реконструировать с помощью процесса. "Однако, чтобы отследить все нейроны таким образом, потребуется слишком много времени, поскольку мозг мыши состоит примерно из 75 миллионов нейронов," говорит Денк. Следовательно, оценка изображения должна быть автоматизирована. "Наши изображения имеют достаточное разрешение и контраст, чтобы прослеживать все миелинизированные аксоны. Если нам удастся сканировать весь мозг в ближайшие годы, это должно стать серьезным стимулом для компьютерных ученых к разработке необходимых методов анализа."
Подробная карта связей в мозгу внесет важный вклад в прояснение нейронных функций. "Каждая теория функции мозга основана на представлении о соответствующих информационных путях в мозге. Очень важно, чтобы мы узнали о связях между узлами, чтобы мы могли различать разные модели функции мозга," объясняет Денк.