טריק אור פשוט חושף מסלולי מוח נסתרים בפרטים מיקרוסקופיים

מחלות רבות משבשות את הרשתות העדינות הללו. במוח, נזק לחיבורי סיבים מופיע כמעט בכל ההפרעות הנוירולוגיות, שם הוא תורם לשינויים בתקשורת העצבית.

למרות שמבנים מיקרוסקופיים אלה ממלאים תפקידים חיוניים, הם כבר מזמן מאתגרים ללימוד. חוקרים נאבקו לקבוע כיצד סיבים מכוונים בתוך רקמות, מה שהקשה על ההבנה המלאה של איך הם משתנים בבריאות ובמחלות.

שיטה פשוטה לחשיפת מיקרו מבנה נסתר

צוות מחקר בראשות Marios Georgiadis, PhD, מורה לדימות עצבית, הציג כעת גישה שהופכת את דפוסי הסיבים הקשים לראייה הללו גלויים בבהירות יוצאת דופן ובעלות נמוכה יחסית.

הטכניקה שלהם, המתוארת ב תקשורת טבעידוע בשם דימות אור מפוזר חישובי (ComSLI). זה יכול לחשוף את האוריינטציה והארגון של סיבי רקמה ברזולוציית מיקרומטר כמעט בכל שקף היסטולוגי, ללא קשר לאופן שבו הוא הוכתם או השתמר – גם אם השקופית בת עשורים רבים.

מיכאל זיינה, MD, PhD, פרופסור לרדיולוגיה, שימש כסופר בכיר יחד עם מרים מנזל, PhD, חוקר אורח לשעבר במעבדה של זיינה.

"המידע על מבני רקמות תמיד היה שם, מוסתר לעין," אמר ג'ורג'דיס. "ComSLI פשוט נותנת לנו דרך לראות את המידע הזה ולמפות אותו".

כיצד ComSLI ממפה כיוון סיבים

אסטרטגיות הדמיה מסורתיות מגיעות עם מגבלות משמעותיות. MRI יכול להדגיש רשתות אנטומיות גדולות אך אינו יכול ללכוד מבנים תאיים זעירים. טכניקות היסטולוגיה דורשות לעתים קרובות כתמים מיוחדים, ציוד מתקדם ודגימות שנשמרו בקפידה, והן עדיין מתקשות לתאר בבירור את מעברי הסיבים.

ComSLI מסתמכת על עיקרון פיזיקלי בסיסי: כאשר האור נתקל במבנים מיקרוסקופיים, הוא מתפזר לכיוונים שונים על סמך הכיוון שלהם. על ידי סיבוב מקור האור ורישום כיצד האות הפיזור משתנה, החוקרים יכולים לשחזר את כיוון הסיבים בתוך כל פיקסל של תמונה.

השיטה דורשת רק נורת LED מסתובבת ומצלמת מיקרוסקופ, מה שהופך את ההגדרה לנגישה בהשוואה לצורות אחרות של מיקרוסקופיה מתקדמות. לאחר איסוף התמונות, התוכנה מנתחת תבניות עדינות באור המפוזר כדי ליצור מפות מקודדות צבע של כיוון סיבים וצפיפות, הידועות בשם הפצות אוריינטציה של סיבים עם מידע על מיקרו-מבנה.

ComSLI אינו מוגבל על ידי הכנת מדגם. זה עובד עם קטעים מקובעים בפורמלין, מוטבעים בפרפין (תקן בבתי חולים ובמעבדות פתולוגיות) כמו גם שקופיות קפואות טריות, מוכתמות או לא מוכתמות.

מדענים יכולים גם לבקר שוב בשקופיות שנוצרו במקור עבור פרויקטים לא קשורים, אפילו אלה שנשמרו במשך עשרות שנים, ולאפשר תובנות מבניות חדשות מבלי לשנות את הדגימות.

"זהו כלי שכל מעבדה יכולה להשתמש בו", אמר זיינה. "לא צריך הכנה מיוחדת או ציוד יקר. מה שהכי מרגש אותי הוא שהגישה הזו פותחת את הדלת לכל אחד, ממעבדות מחקר קטנות ועד מעבדות פתולוגיה, לחשוף תובנות חדשות ממגלשות שכבר יש להם".

מיפוי מיקרו-מבנה עצבי ומחלות

מטרה מרכזית במדעי המוח הייתה לשרטט את המסלולים המיקרוסקופיים של המוח בדיוק רב. באמצעות ComSLI, ג'ורג'דיס ועמיתיו דמיינו חלקי מוח אנושיים מלאים מקובעים בפורמלין, מוטבעים בפרפין ושקופיות בגודל סטנדרטי, וחשפו מבני סיבים מפורטים בכל הרקמה.

הם גם בדקו כיצד משתנים סיבים אלו במצבים נוירולוגיים כמו טרשת נפוצה, לוקואנצפלופתיה ומחלת אלצהיימר.

מוקד אחד היה ההיפוקמפוס, אזור עמוק במוח המרכזי ליצירת זיכרון ושליפה, ולעתים קרובות מושפע בשלב מוקדם של ניוון עצבי. כאשר השוו קטע בהיפוקמפוס של חולה עם מחלת אלצהיימר למדגם בריא, הצוות ראה הידרדרות מבנית ברורה. מעברי סיבים שבדרך כלל עוזרים לחבר בין אזורים בהיפוקמפוס פחתו מאוד, ומסלול מרכזי שאחראי להכנסת אותות הקשורים לזיכרון לאזור (המסלול הנקב) בקושי נראה. ההיפוקמפוס הבריא, לעומת זאת, הראה רשת צפופה ומקושרת של סיבים על פני כל האזור. בעזרת מפות מפורטות אלה, החוקרים יכולים לראות כיצד מעגלי זיכרון מתפרקים עם התקדמות המחלה.

כדי לבדוק את גבולות השיטה, החוקרים ניתחו קטע מוח שהוכן בשנת 1904. אפילו במדגם בן המאה הזה, ComSLI זיהה דפוסי סיבים מורכבים, המאפשרים למדענים לחקור דגימות היסטוריות ולחקור כיצד תכונות מבניות מתפתחות לאורך דורות של מחלות.

יישומים מעבר למוח

למרות שתוכנן לראשונה לחקר המוח, ComSLI עובד היטב גם ברקמות אחרות. הצוות השתמש בו כדי לחקור דגימות שרירים, עצמות וכלי דם, כל אחת חושפת סידורי סיבים ייחודיים הקשורים לתפקודים הביולוגיים שלהם.

בשרירי הלשון, השיטה הדגישה כיווני סיבים שכבות הקשורים לתנועה וגמישות. בעצם, הוא לכד סיבי קולגן שמתיישרים עם מתח מכני. בעורקים, הוא הראה שכבות קולגן ואלסטין מתחלפות התומכות בחוזק וגמישות כאחד.

היכולת הזו למפות את כיוון הסיבים על פני מינים, איברים ודגימות ארכיוניות עשויה לשנות באופן משמעותי את האופן שבו מדענים חוקרים את המבנה והתפקוד. זה גם אומר שמיליוני שקופיות מאוחסנות ברחבי העולם עשויות להכיל מידע מיקרו-מבני שלא נוצל.

"למרות שזה עתה הצגנו את השיטה, יש כבר מספר בקשות לסריקת דגימות ושכפול של התקנת ComSLI – כל כך הרבה מעבדות ומרפאות היו רוצות לקבל כיוון סיבים ברזולוציה של מיקרון ומיקרו-קישוריות במקטעים ההיסטולוגיים שלהן", אמר ג'ורג'דיס. "תוכנית מרגשת נוספת היא לחזור לארכיוני מוח מאופיינים היטב או לקטעי מוח של אנשים מפורסמים, ולשחזר את מידע המיקרו-קישוריות הזה, לחשוף 'סודות' שנחשבו מזמן לאיבוד. זה היופי של ComSLI".