新技术揭示了人类的神经网络
使用空间光干涉显微镜(SLIM)技术开发的Gabriel Popescu的实验室,研究人员能够向首次展示人类胚胎干细胞衍生的神经元网络内成长,组织空间,和动态运输材料。
label-free”,因为我们的方法,我们这些类型的神经元分化和成熟的成像从神经祖细胞12天没有损伤,”Popescu说。“我认为这(技术)几乎是唯一的方法可以监视这么长时间。”
科学报告最近发表的论文主题,“Label-Free特征的新兴人类神经网络。”
通过延时测量,研究者能够观察随时间发生的变化。“我们一直在观察神经元每10分钟24小时的空间组织和大众运输动态变化,“Taewoo Kim表示,论文的主要作者之一。
苗条的技术措施的光学路径长度变化分布,或光的有效长度的路径是通过样本。“光穿过神经元本身在某种意义上比光慢通过神经元周围的媒体,“金解释说。会计的差异可以让研究人员看到细胞活性,细胞是如何移动,形成神经集群,然后结合集群中的其他细胞或细胞与其他集群。
“单个神经元像他们在Facebook上,“Popescu解释道。“在我们的电影,你可以看到他们如何扩展这些武器,这些过程,并开始形成新的连接,建立一个网络”。Like many users of Facebook, once some connections have been made, the neurons divert attention from looking for more connections and begin to communicate with one another -- exchanging materials and information. According to the researchers, the communication process begins after about 10 hours; for the first 10 hours the studies show that the main neuronal activity is dedicated to creating mass in the form of neural extensions or neurites, which allows them to extend their reach.
“既然苗条允许我们同时测量几个这些神经网络形式的基本属性,我们可以理解和描述首次发生的变化之间的联系广泛的不同空间和时间尺度。这是不可能与其他现有技术,“穆斯塔法米尔解释说,这项研究的主要作者。
研究人员使用未经处理的细胞和细胞治疗与氯化锂,这延迟神经突的生长。这使得他们比较处理和未经处理的细胞的质量,和显示的主要增长细胞是在连接阶段,树突内被扩展和集群之间的地方。
“当我们第一次的数据处理和未经处理的样品相比,这种方法的潜力来回答重要问题在神经科学和发育生物学成为明确的。许多疾病导致微妙的神经网络组织和行为方式的变化,现在我们有一个工具来研究这些变化以实用的方式,”米尔说。
完成工作是结合科学技术中心由美国国家科学基金会赞助,紧急的行为综合细胞系统(EBICS),这是一个由麻省理工学院多努力,乔治亚理工大学和伊利诺伊大学的。拉希德巴希尔领导的伊利诺斯州的网站,从贝克曼3 d微型和纳米系统组和伊利诺斯州生物工程部门的负责人。
EBICS是研究复杂系统的方式和模式崛起的相对简单的交互与建筑生活的一个目标,多细胞机器,解决实际问题的健康、安全和环境。
“通过这个中心在过去的四年里,我们已经开发了一些工具试图理解出现,试图定义出现意味着什么,”Popescu说。“这篇论文是我们进展的一个明显的例子定义和量化这一重要和普遍的现象。
“我们开发这些方法基于苗条的理解在什么规模的细胞组织,他们变得可预测的。我们量化与空间和时间尺度上出现顺序发生。神经元网络的形成是一个美丽的例子出现。您部署的细胞彼此无关,他们是完全独立的。然后,在不到24小时他们开始交谈,更作为一个整体,运行一个有组织的集团,而不是个人。使用瘦我们可以证明,虽然结构,单个细胞不改变在短时间尺度,这是他们安排在空间和时间的集体行为,发展迅速。”
Popescu希望他的工作能帮助建筑机器可以帮助与健康相关的问题,包括阿尔茨海默氏症,与内存相关条件和老化。第一步是确定的确定性行为神经细胞和发现治疗增强这种可预见的行为。
“我认为我们有一个良好的工具集结构和动态区分现在当细胞功能在不同的模式。这个计划是控制可预测的情况下,材料运输等神经元或跳动的心脏细胞,和希望得到的细胞来完成小任务,”Popescu说。
“虽然在这项研究中我们使用苗条检查神经网络,这里展示的技术可以应用于各种各样的生物系统,这仅仅是冰山的一角,”米尔说。
“苗条的技术前景巨大的成像不仅细胞网络,而且整片大脑组织,在开发过程中制定的联系在哪里保存和自然功能表达,”玛莎说吉列,贝克曼研究所的神经学家Neurotech小组和合作者的研究。“单个细胞的功能专门化的大脑区域之间的异构性问题成为关键贡献者健康和患病的状态。分析单个细胞的能力在一个多细胞微环境,保存本机大脑的结构和功能的复杂性是一个重大的挑战,可以解决使用苗条。”
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出版
Mustafa米尔Taewoo Kim Anirban Majumder,迈克,俄文,克里斯·刘,玛莎美国吉列,史蒂文,加布里埃尔Popescu。Label-Free新兴人类神经网络的特征。科学报告,2014年3月24日发表。doi: 10.1038 / srep04434
