“La mappatura dell’intero cervello è difficile e richiede molto tempo, anche con la migliore tecnologia moderna”, ha osservato nel marzo dello scorso anno un team internazionale delle università Johns Hopkins e Cambridge, che è riuscito a ricostruire il connettoma di questo organo nella larva della mosca dopo 10 anni. .
Ora, un gruppo del Massachusetts Institute of Technology (MIT) è riuscito a raggiungere questo obiettivo in tempi record e sugli esseri umani. I ricercatori hanno automatizzato a tecnica per acquisire immagini 3D di ciascuna metà del cervello in poco più di quattro giorni.
Questa nuova tecnologia ottiene contemporaneamente, come se fosse uno zoom, la visione di un intero emisfero cerebrale e ‘discende’ fino alle strutture più piccole dei neuronio anche le sinapsi.
Il processo per ottenere una fotografia completa del cervello su scala cellulare richiede di dividerlo in centinaia o migliaia di sottili fette di tessuto, ottenere immagini di ciascuno di essi con il microscopio elettronico e poi eseguire un meticoloso processo di ricostruzione di tutti quei pezzi, neurone per neurone, in un cervello completo per ottenere una mappa accurata.
A questo ritmo di lavoro, il connettoma del cervello umano, essenziale da conoscere come funziona e poi affrontare le innumerevoli patologie che ti affliggonosarebbe un compito titanico.
Tuttavia, il nuovo approccio presentato in Scienza di Kwanghun Chung e il tuo team potrebbe facilitare notevolmente questo arduo compito. Chung è già noto per essere stato uno degli ideatori nel 2013, insieme a Karl Deisseroth, della tecnica Clarity, che ha permesso di rendere trasparenti piccoli cervelli interi e che oggi viene utilizzata abitualmente in laboratorio.
Da allora, l’esperto ha continuato su questa linea per migliorare la visione 3D del cervello con assoluta precisione, indipendentemente dalla scala. Con la nuova pubblicazione ha fatto un passo importante rendendo ancora più semplice osservare il cervello nel massimo dettaglio, minimizzando i danni al tessuto cerebrale durante la fase di preparazione del campione per poterlo riutilizzare successivamente.
Cambia il modo in cui vedi il cervello
Realizzato in collaborazione con un team di giovani ingegneri, il lavoro pubblicato nel Scienza mira a cambiare il modo in cui guardiamo da vicino il cervello, superare le insidie derivanti dalle tecniche attuali. È interessante notare che sono riusciti a ricomporre i tagli del tessuto cerebrale in modo che “corrispondano” perfettamente, come se non fossero stati tagliati, cosa che fino ad ora richiedeva un’integrazione lenta e laboriosa.
Per fare ciò, il primo passo è stato perfezionare il modo in cui vengono tagliati i campioni di tessuto cerebrale. Di questo si è occupato l’ingegnere meccanico Ji Wangche ha sviluppato a ‘megatom’un dispositivo per tagliare gli emisferi cerebrali umani in modo da non danneggiarli e poi ricostruirli nuovamente con grande precisione per avere una visione d’insieme.
Come spiega Chung, finora “nessuna tecnologia ottiene immagini dell’anatomia completa del cervello umano”. con risoluzione subcellulare senza prima tagliarlo, perché è opaco e molto spessocirca 3.000 volte il volume del cervello di un topo.
Ma con questo megatomo, il i tagli non perdono informazioni anatomiche nei punti di taglio o in qualsiasi altro puntosottolineano i ricercatori.
Un altro ostacolo da superare era aumentare la flessibilità dei campioni senza romperli. E questo aspetto è stato curato Parco Juhyuk un giovane ingegnere dei materiali che ci è riuscito ogni porzione del cervello trasparente è flessibile e relativamente facile da maneggiare, durevole E espandibile.
Inoltre, può essere etichettato con diversi marcatori in modo rapido, uniforme e ripetuto, perché questa marcatura selettiva può essere “cancellata”, il che permette di effettuare studi diversi sullo stesso campione a seconda dell’obiettivo perseguito. E per questo hanno sviluppato un’altra nuova tecnologia incorporata nella piattaforma che hanno chiamato melast.
Analisi computazionale
Naturalmente non poteva mancare un analisi computazionaleche in questo caso ha permesso di svolgere in modo automatico e con grande precisione il compito di riunire le fette in cui è stato suddiviso il tessuto cerebrale.
La ricostruzione viene effettuata utilizzando come guida l’allineamento preciso di ciascun vaso sanguigno e di ciascun assone neuronale, e con il software quello ricompone il cervello al nanometro come se non fosse stato precedentemente tagliato, sviluppato da un altro ingegnere, Webster Guan. A questo scopo ha creato un sistema informatico chiamato “UNSLICE”.
Con queste tre tecniche integrate nella piattaforma tecnologica, è possibile modificare la scala di visualizzazione mappare simultaneamente un intero emisfero e allo stesso tempo accedere anche a caratteristiche microscopiche come informazioni molecolari, morfologiche e di connettività. E tutto questo, dicono i ricercatori, senza distruggere il campione.
In breve, questa nuova tecnica permette un viaggio immersivo nel cervello, dall’intero emisfero fino all’interno delle più piccole strutture cellulari o la visualizzazione delle sinapsi in grande dettaglio.
“Questa tecnologia davvero ci permette di analizzare il cervello umano su più scale. “Potenzialmente, può essere utilizzato per mappare completamente il cervello umano”, chiarisce Chung.
Impatto di questo studio
Il tempo per preparare i campioni cerebrali è un altro aspetto notevole di questa nuova piattaforma, poiché si riduce notevolmente. Con questa tecnologia, ciò che prima richiedeva diversi mesi ora può essere fatto in poco più di quattro giorni.
Per il neuroscienziato Manuel Valerocapogruppo dell’Instituto Hospital del Mar d’Investigacions Mèdiques (IMIM) e premio Giovani Ricercatori 2023 della Società Spagnola di Neuroscienze, che non ha partecipato allo studio, “l’impatto di questo articolo risiede nel coordinamento di tutti questi miglioramenti tecnici con l’obiettivo di automatizzare e ottimizzare l’analisi istologica e analisi molecolare di grandi frammenti di cervello umano.
Per Valero questo lavoro rappresenta un grande impegno tecnico e di competenza”, che tenta di migliorare il limite tecnico, sperimentale e analitico studiare campioni di cervello umano con tecniche di microscopia dal punto di vista molecolare, cellulare e della connettività.
“Sì ok, Nessuno di questi miglioramenti è rivoluzionariol’adozione da parte della comunità scientifica di alcune di queste risorse, ad esempio, dei metodi di analisi sviluppati che sono facilmente diffusi, può avere un impatto a breve e medio termineprincipalmente nel ottimizzazione e automazione di questo tipo di studi sul cervello”, aggiunge.
Applicazione pratica nell’Alzheimer
Proprio per dimostrare le possibilità di questa nuova tecnica, i ricercatori del MIT Sono entrati in un cervello affetto da Alzheimer e lo hanno confrontato con un altro senza questa malattia neurodegenerativa.
Con ciò hanno effettuato una prova di concetto della portata e dell’utilità della loro nuova tecnica, chiarendo però che ciò che è stato osservato in un singolo cervello non deve essere generalizzato. Ma apre la porta a un approccio nuovo, più rapido e più dettagliato.
In questo caso Chung ha collaborato con Matteo Fròsch, esperto di Alzheimer e direttore della banca del cervello del Massachusetts General Hospital. I ricercatori si sono concentrati su una porzione di tessuto dove hanno osservato la maggiore perdita di neuroni rispetto a un cervello di controllo sano. Da lì si sono lasciati trasportare dalla curiosità, dicono: “Non abbiamo progettato tutti gli esperimenti in anticipo”, sottolinea Chung.
Sapendo che, grazie a questo nuovo approccio, avrebbero potuto avere un accesso quasi illimitato ai tessuti e che questo glielo avrebbe addirittura consentito tornare indietro e guardare qualcosa di nuovohanno utilizzato molti marcatori diversi, per poter osservare diversi aspetti e per caratterizzare e vedere le relazioni tra fattori patogeni e diversi tipi di cellule.
Una delle tante osservazioni che hanno fatto è stata che la perdita di sinapsi era concentrata in aree in cui vi era una sovrapposizione diretta con le placche amiloidi caratteristiche della malattia di Alzheimer. Tuttavia, al di fuori delle aree della placca, la densità delle sinapsi era elevata nel cervello patologico come nel cervello sano di controllo.
Questa tecnologia non si limita al cervello, sottolineano i ricercatori, ma può essere applicata anche a molti altri tessuti del corpo. “Prevediamo che questa piattaforma tecnologica scalabile migliorerà la nostra comprensione delle funzioni degli organi umani e dei meccanismi delle malattie per stimolare lo sviluppo di nuove terapie”, conclude Chung.
