Человеческий организм пронизан тысячами микроскопических волокон, которые играют ключевую роль в функционировании всех органов. Мышечные волокна обеспечивают движение, кишечные – перистальтику, а волокна мозга – передачу электрических сигналов, связывая различные его области. Эти сложные фибриллярные сети формируют структуру органов и обеспечивают их скоординированную работу.
Нарушения в этих тонких сетях часто сопровождают различные заболевания. Например, при многих неврологических расстройствах повреждение волокон в мозге приводит к сбоям в нейронной коммуникации. Однако, несмотря на их критическую важность, микроскопические структуры тканей долгое время оставались крайне сложными для изучения, поскольку ученым не хватало методов четкой визуализации ориентации волокон, что препятствовало пониманию их изменений при болезни.
Теперь команда исследователей под руководством доктора Мариоса Георгиадиса, преподавателя нейровизуализации, представила инновационный подход, позволяющий обнаруживать эти скрытые волокнистые паттерны с исключительной четкостью и относительно низкими затратами. Их метод, опубликованный в журнале Nature Communications, получил название computational scattered light imaging (ComSLI). Он способен выявлять ориентацию и организацию волокон тканей с микрометровым разрешением практически на любом гистологическом образце, независимо от способа его окрашивания или консервации – даже если препарат хранился десятилетиями. Соавторами статьи выступили профессор радиологии Майкл Зейне и доктор Мириам Менцель.
«Информация о структуре тканей всегда присутствовала, она была скрыта на виду, – объясняет доктор Георгиадис. – ComSLI просто предоставляет нам возможность увидеть и картировать эти данные».
Традиционные методы визуализации имеют существенные ограничения. Например, МРТ позволяет увидеть крупные анатомические сети, но не может детально отобразить клеточные структуры. Гистологические методы, в свою очередь, часто требуют специального окрашивания, дорогостоящего оборудования и тщательно подготовленных образцов, при этом они все еще плохо визуализируют пересечения волокон. ComSLI же основан на простом физическом принципе: когда свет сталкивается с микроскопическими структурами, он рассеивается в разных направлениях в зависимости от их ориентации. Вращая источник света и регистрируя изменения в рассеянном сигнале, ученые могут восстановить направление волокон для каждого пикселя изображения. Для работы метода требуется лишь вращающийся светодиодный источник и камера микроскопа, что делает установку гораздо более доступной по сравнению с другими передовыми методами микроскопии. После сбора изображений специальное программное обеспечение анализирует тонкие паттерны рассеянного света, создавая цветовые карты ориентации и плотности волокон, так называемые микроструктурные распределения ориентации волокон.
Примечательно, что ComSLI не имеет строгих требований к подготовке образцов. Он одинаково эффективно работает с фиксированными формалином и залитыми в парафин срезами (стандартная практика в больницах и патологоанатомических лабораториях), а также со свежезамороженными, окрашенными или неокрашенными препаратами. Это позволяет исследователям обращаться к образцам, созданным десятилетия назад для других целей, и получать новые структурные данные, при этом сами образцы остаются нетронутыми.
«Это инструмент, который может использовать любая лаборатория, – отмечает доктор Зейне. – Для него не требуется ни специальной подготовки, ни дорогостоящего оборудования. Больше всего вдохновляет то, что этот подход открывает возможность для всех – от небольших научных групп до патологоанатомических лабораторий – получать новые данные из уже имеющихся у них образцов».
Одной из ключевых задач нейронауки всегда было точное картирование микроскопических путей мозга. Используя ComSLI, доктор Георгиадис и его коллеги визуализировали целые срезы человеческого мозга, фиксированные формалином и залитые в парафин, а также стандартные гистологические препараты, выявив детальные волокнистые структуры по всей ткани. Они также изучили изменения этих волокон при неврологических заболеваниях, таких как рассеянный склероз, лейкоэнцефалопатия и болезнь Альцгеймера.
Особое внимание было уделено гиппокампу – области мозга, критически важной для формирования и извлечения памяти, которая часто страдает на ранних стадиях нейродегенерации. Сравнивая срез гиппокампа пациента с болезнью Альцгеймера со здоровым образцом, команда обнаружила явные структурные нарушения. Пересечения волокон, которые обычно связывают различные области гиппокампа, были значительно уменьшены, а основной путь, отвечающий за передачу сигналов, связанных с памятью (перфорантный путь), был едва различим. Здоровый гиппокамп, напротив, демонстрировал плотную и взаимосвязанную сеть волокон по всей своей области. Благодаря таким подробным картам исследователи теперь могут наблюдать, как разрушаются цепи памяти по мере прогрессирования заболевания.
Чтобы проверить пределы возможностей метода, исследователи проанализировали срез мозга, датированный 1904 годом. Даже в этом столетнем образце ComSLI смог выявить сложные волокнистые паттерны, что позволяет ученым изучать исторические препараты и исследовать, как структурные особенности менялись на протяжении многих поколений болезней.
Хотя изначально ComSLI разрабатывался для исследования мозга, он демонстрирует высокую эффективность и для других тканей. Команда успешно применила его для изучения образцов мышц, костей и сосудов, в каждом случае выявляя уникальные расположения волокон, связанные с их биологическими функциями. В мышцах языка метод показал слоистую ориентацию волокон, ответственную за движение и гибкость. В костях он позволил обнаружить коллагеновые волокна, выровненные в соответствии с механическим напряжением. В артериях ComSLI показал чередующиеся слои коллагена и эластина, обеспечивающие прочность и эластичность.
Способность картировать ориентацию волокон у разных видов, в различных органах и на архивных образцах может кардинально изменить подходы ученых к изучению структуры и функции тканей. Это означает, что миллионы хранящихся по всему миру гистологических препаратов могут содержать ранее недоступную микроструктурную информацию. «Несмотря на то, что мы только представили метод, уже поступают многочисленные запросы на сканирование образцов и создание установок ComSLI – многие лаборатории и клиники хотят иметь возможность определять ориентацию волокон и микросвязи с микронным разрешением на своих гистологических срезах, – говорит доктор Георгиадис. – Еще один захватывающий план – вернуться к хорошо охарактеризованным архивам мозга или к срезам мозга известных личностей и восстановить эту информацию о микросвязях, раскрывая «секреты», которые считались давно утраченными. В этом и заключается вся прелесть ComSLI».
