Mózg i jego struktura w nowym świetle

Dwa modele tkanki mózgu opracowane na podstawie obrazów. Brązowy powstał z wykorzystaniem obecnych metod, fioletowy – dzięki nowej technice. Graham Knott/EPFL

Być może spora część wiedzy, jaką mamy na temat naszego mózgu i jego struktury jest nie do końca zgodna z prawdą. To przynajmniej sugerują naukowcy z EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale De Lausanne).

Do zbadania delikatnej struktury mózgu (w tym synaps, połączeń między neuronami) naukowcy wykorzystują mikroskopy elektronowe. Zanim przejdą do obrazowania muszą jednak najpierw odpowiednio go przygotować. Okazuje się, że mózg w tym procesie znacznie się kurczy, przez co obrazy z mikroskopu mogą być zniekształcone – neurony mogą wydawać się znacznie mniej od siebie oddalone niż ma to miejsce w rzeczywistości. Naukowcom z EPFL udało się wreszcie rozwiązać ten problem – opracowali technikę, która szybko zamraża mózg, dzięki czemu zachowuje on swoją prawdziwą strukturę.

W ostatnich latach nastąpił gwałtowny postęp w obrazowaniu mózgu – mikroskopia elektronowa pozwala nam obserwować i analizować „architekturę” mózgu w niezwykle szczegółowej skali. Jednocześnie jednak rozwiązanie to wiąże się z problemem przygotowania delikatnych tkanek do badań. Zazwyczaj stosuje się obecnie środki stabilizujące, takie jak aldehydy, a następnie osadza się mózg w żywicy. Od połowy lat 60. ubiegłego wieku wiadomo jednak, że proces ten powoduje kurczenie się mózgu, nie wiadomo było tylko jak duże. W efekcie nasza wiedza o anatomii mózgu może być niepełna lub wręcz niezgodna z prawdą, szczególnie jeżeli chodzi o rzeczywistą odległość neuronów od siebie czy strukturę naczyń krwionośnych.

Naukowcy z EPFL z Natalią Korogod, Grahamem Knottem i Carlem Petersenem na czele z powodzeniem przeprowadzili badanie z zastosowaniem nowatorskiej metody utrwalania („cryofixation”), która zapobiega przed kurczeniem się mózgu podczas przygotowywań do mikroskopii elektronowej. Wykorzystano strumienie ciekłego azotu, aby zmrozić tkankę mózgowa (do temperatury -90 st. Celsjusza) w ciągu kilku milisekund. Szybkie zamrożenie (przy wysokim ciśnieniu) przy okazji pozwala zapobiec formowaniu się kryształków w tkance, jak ma to miejsce w typowych zamrażarkach. W tej metodzie woda zamienia się w coś na styl szkła, dzięki czemu rzeczywista struktura tkanki pozostaje niezakłócona. Po zamrożeniu należy osadzić tkankę mózgu w żywicy. To wymaga pozbycia się „szklanej wody” i zastąpienia jej acetonem, a w ciągu następnych kilku dni wypełnienia luk żywicą. 

Po tym jak naukowcy utrwalili mózg i osadzili go w żywicy, rozpoczęli obserwację i fotografowanie z wykorzystaniem trójwymiarowej mikroskopii elektronowej. Następnie porównali obrazy mózgu z tymi, które powstały przy zastosowaniu poprzedniej metody. Okazało się, że był znacznie mniej „ściśnięty” – nie odnotowano znacznych strat pod względem przestrzeni zewnątrzkomórkowej (przestrzeni wokół neuronów). Ponadto komórki wspomagające zwane astrocytami wydają się teraz mniej związane z neuronami, a nawet naczyniami krwionośnymi w mózgu. Przede wszystkim jednak synapsy okazują się teraz znacznie słabsze i bardziej rozległe.

„To wszystko pokazuje nam, że ta technika pozwala na bardzo dokładne obrazowanie mózgu. Jednocześnie podważa prawidłowość dotychczasowych wyników obrazowania. Musimy ponownie przeanalizować anatomię mózgu w świetle tych nowych dowodów” – skomentował Graham Knott.

Źródło: EurekAlert