新的成像技术提供了一个“活”视图进入大脑的复杂性

脑组织是有史以来最复杂的标本,科学家们可以说是处理。挤满了目前无限数量的信息,人类的大脑是最复杂的计算设备的网络大约860亿个神经元。理解这种复杂性是一项艰巨的任务,因此取得进展需要技术解决微小,复杂的交互发生在大脑在微观尺度。因此成像是神经科学的有利工具。

新的成像和虚拟重建技术由约翰·Danzl ISTA的集团是一个很大的飞跃成像的大脑活动,名为狮——生活信息优化Nanoscopy使饱和分割。狮是一个管道图像,重建和分析活脑组织综合性和空间分辨率不可能直到现在。

与狮”,第一次,可以得到一个全面的、密集的生活重建大脑组织。通过成像组织多次,狮让我们观察和测量动态大脑细胞生物学,”第一作者菲利普·Velicky说。”输出的重构图像细胞安排在三维空间中,随着时间的推移,第四维,样本可以成像/分钟,小时,或几天,”他补充道。

协作和人工智能的关键

母狮的力量在于改进光学和深度学习的两个层次——一种人工智能的方法,其核心:第一提高图像质量和第二标识不同的细胞结构在茂密的神经元的环境。

之间的管道是一个协作的结果Danzl集团,Bickel集团,乔纳斯集团Novarino集团和ISTA的科学服务单位,以及其他国际合作者。“我们的方法是组装一个动态组科学家具有独特的综合专业知识跨越学科界限,共同努力,缩小技术差距在大脑组织的分析,”约翰·Danzl ISTA说。

超越障碍

以前可以用电子显微镜得到重建的脑组织。该方法图像示例基于其与电子的相互作用。尽管它能够捕捉图像几nanometers-a 1000000 millimeter-resolution,电子显微镜需要固定在一个生物样品状态,需要物理分段来获得三维信息。因此,没有可以获得动态信息。

另一个先前已知的光学显微镜技术允许生命系统的观察和记录完整的组织量通过切片“光”而不是身体。然而,光学显微镜的分辨能力严重阻碍的光波的属性用于生成一个图像。其最好的决议是几百纳米,太粗粒度捕捉重要的脑组织细胞细节。

使用超分辨率光学显微镜科学家可以打破这个决议障碍。最近的工作在这一领域,被称为寿司(超分辨率成像阴影),表明应用染料分子细胞和周围的空间应用诺贝尔奖得主超分辨率技术、(受激发射损耗)显微镜揭示super-resolved“阴影”的细胞结构,因此可视化组织。然而,图像已经不可能整个卷的脑组织分辨率增强相匹配的大脑组织复杂的3 d结构。这是因为增加决议还需要成像的高负载的样本,这可能损坏或“炒”的微妙,活组织。

狮的威力就在于此,发达,研究者称,“快速、温和”成像条件,因此样本。技术是同时提供各向同性super-resolution-meaning同样好的在所有三个空间维度允许可视化组织细胞的组件在3 d纳米解决细节。

母狮收集只需要尽可能少的信息从样本中成像步骤。这是紧随其后的是深度学习的第一步填写附加信息在脑组织的结构这一过程被称为图像恢复。在这种创新的方式,它实现了大约130纳米的分辨率,同时适合于实时成像的脑组织。这些步骤允许深度学习的第二步,这一次的极其复杂的成像数据和识别神经元结构以自动化的方式。

的

“跨学科的方法允许我们打破交织在一起的局限性在分辨能力和生命系统,曝光的复杂的3 d数据,和一些组织的细胞结构与分子和功能测量,“Danzl说。

虚拟重建,Danzl Velicky与视觉计算专家:ISTA Bickel小组,小组由专员Hanspeter哈佛大学斯贡献了他们的专业技能在自动segmentation-the过程组织和自动识别细胞结构的可视化,进一步支持了科学家克里斯托弗•萨默ISTA的形象分析。对于复杂的标记策略,神经学家和化学家从爱丁堡,柏林,ISTA的贡献。因此,它是可能的桥梁功能测量,即读出细胞结构生物信号一起活动在同一生活神经电路。

这是由钙离子通量进入细胞成像和测量细胞电活动与ISTA乔纳斯小组合作。Novarino集团贡献人类的大脑瀑样,通常被称为mini-brains模仿人类大脑的发展。作者强调,所有这一切是通过专家支持ISTA的顶尖科技服务单位。

大脑结构和活动是高度动态的;其结构进化大脑执行和学习新的任务。这方面的大脑通常被称为“可塑性”。因此,观察大脑的组织结构的变化是至关重要的释放其可塑性背后的秘密。ISTA开发的新工具显示了潜在的理解大脑组织的功能体系结构和潜在的其他器官,揭示了亚细胞结构和捕捉这些如何随时间变化。

参考:Velicky P, Miguel E Michalska JM, et al。浓密的4 d纳米重建生活的脑组织。自然方法。2023年。doi:10.1038 / s41592 - 023 - 01936 - 6

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