Всеки орган в човешкото тяло е изграден около мрежи от микроскопични влакна, които тихо направляват работата на тъканите. В мускулите тези влакна канализират физическата сила. В червата те подпомагат движението през храносмилателната система. В мозъка влакнестите пътища пренасят сигнали, които позволяват на различните области да комуникират и подпомагат мисленето и паметта. Заедно тези миниатюрни структури помагат на органите да функционират правилно и да поддържат формата си.

Изследователски екип, ръководен от д-р Мариос Георгиадис, преподавател по невроизобразяване, разработи проста и достъпна техника, която позволява да се видят тези скрити влакнести структури с изключителна прецизност.

Подходът, описан в Nature Communications, се нарича компютърно изображение на разсеяна светлина (ComSLI). Той позволява на учените да картографират ориентацията и организацията на тъканните влакна с микрометрова резолюция на практически всеки хистологичен препарат, независимо от това как е оцветен, съхранен или консервиран образецът – дори и да е на десетки години.

Д-р Майкъл Зейне, професор по радиология, е съавтор на проучването заедно с д-р Мириам Мензел, бивш гостуващ учен в лабораторията на Зейне.

„Информацията за тъканните структури винаги е била там, скрита на пръв поглед“, казва Георгиадис. „ComSLI просто ни дава възможност да видим тази информация и да я картираме.“

Общите техники за визуализиране на тъканни влакна имат значителни ограничения. ЯМР е полезен за наблюдение на големи мозъчни мрежи, но не може да улови фините клетъчни детайли. Традиционните хистологични подходи често зависят от специализирани оцветители, скъпо оборудване и внимателно поддържани проби. Те също така се затрудняват да разграничат ясно областите, където влакната се пресичат.

ComSLI преодолява тези проблеми, като се основава на основното физично поведение на светлината. Когато светлината преминава през микроскопични структури, тя се разсейва по начин, който зависи от ориентацията на тези структури. Чрез завъртане на посоката на осветяване и измерване на промените в моделите на разсейване изследователите могат да определят посоките на влакната във всеки малък пиксел на изображението.

Експерименталната постановка е проста и изисква само въртящ се LED източник на светлина и микроскопска камера. Компютърни алгоритми след това обработват фините вариации в разсеяната светлина, за да генерират цветно кодирани карти, известни като разпределения на ориентацията на влакната, базирани на микроструктурата, които показват както посоката, така и плътността на влакната.

Една от най-мощните характеристики на ComSLI е неговата гъвкавост. Техниката работи върху фиксирани с формалин и вложени в парафин секции, най-често използваните в болниците и патологичните лаборатории. Тя също така дава добри резултати върху прясно замразена тъкан, както и върху оцветени и неоцветени проби.

Изследователите могат дори да се върнат към слайдове, създадени за несвързани проучвания, включително проби, съхранявани в продължение на десетилетия, и да извлекат нова структурна информация, без да променят пробите.

„Това е инструмент, който може да се използва във всяка лаборатория“, обяснява Зейне. „Не се нуждаете от специална подготовка или скъпо оборудване. Най-вълнуващото за мен е, че този подход отваря вратата за всеки, от малки изследователски лаборатории до патологични лаборатории, да открие нови познания от слайдове, с които вече разполага.“

Картографирането на микроскопичните връзки в мозъка отдавна е основна цел в неврологията. С помощта на ComSLI Георгиадис и колегите му успяха да визуализират цели секции от човешки мозък, фиксирани във формалин и вложени в парафин, както и стандартни по размер слайдове, разкривайки фини структурни детайли в различни области на мозъка.

Изследователите проучиха и как се променят моделите на влакната при неврологични състояния като множествена склероза, левкоенцефалопатия и болестта на Алцхаймер.

Те обърнаха специално внимание на хипокампуса, дълбока мозъчна област, която е от решаващо значение за формирането и възстановяването на спомени и често е засегната в ранните стадии на невродегенеративните заболявания. Сравнявайки тъканта на хипокампуса на човек с болестта на Алцхаймер с тъканта на здрав индивид, екипът наблюдава изразени структурни увреждания. Пресичанията на влакната, които нормално свързват различни части на хипокампуса, бяха значително намалени, а ключовият път, отговорен за пренасянето на сигнали, свързани с паметта, в хипокампуса – перфорантният път – беше едва видим. За разлика от това здравият хипокампус показваше гъста и взаимосвързана мрежа от влакна в цялата област. Тези подробни изображения позволяват на учените да визуализират как паметните вериги се влошават с течение на времето.

За да тестват метода допълнително, екипът анализира мозъчна секция, подготвена през 1904 г. Въпреки възрастта си пробата все още разкриваше сложни влакнести пътища, когато беше изследвана с ComSLI, което демонстрира способността на техниката да извлича нови познания от исторически образци.

Въпреки че ComSLI техниката е била първоначално разработена за изследване на мозъка, изследователите са установили, че тя работи еднакво добре и при други тъкани. Те са приложили метода върху проби от мускули, кости и кръвоносни съдове, като всяка от тях е показала отличителни подредби на влакната, свързани с конкретни биологични функции.

Снимка: Pexels/Marios Georgiadis

Виж още: Невроморфна електронна кожа позволява на хуманоидните роботи да усещат болка и да реагират