В каждом органе человеческого тела присутствуют тончайшие волокна, которые обеспечивают координацию движений, функционирование и взаимодействие между органами. Мышечные волокна передают физическую силу, волокна кишечника поддерживают движение пищеварительного тракта, а волокна мозга проводят электрические сигналы, позволяя различным областям обмениваться информацией. Совокупность этих сложных волоконных систем формирует структуру каждого органа и обеспечивает их правильную работу.

Влияние заболеваний на волоконные структуры

Многие болезни нарушают эти хрупкие сети. В мозге повреждение волоконных соединений наблюдается почти при всех неврологических расстройствах, что приводит к изменениям в нейронной коммуникации. Несмотря на важность этих микроскопических структур, их долгое время было сложно изучать из-за трудностей в определении ориентации волокон внутри тканей, что затрудняло полное понимание их изменений при здоровье и болезни.

Новый подход к визуализации волокон

Группа исследователей под руководством Мариоса Георгиадиса разработала метод, позволяющий с высокой точностью и относительно низкой стоимостью визуализировать труднодоступные волоконные структуры. Этот метод, описанный в журнале Nature Communications, получил название вычислительная визуализация рассеянного света (ComSLI). Он позволяет определять ориентацию и организацию тканевых волокон с микрометровым разрешением практически на любом гистологическом срезе, независимо от способа окрашивания или хранения — даже если срезу много десятилетий.

ComSLI основан на простом физическом принципе: когда свет сталкивается с микроскопическими структурами, он рассеивается в разных направлениях в зависимости от их ориентации. Поворачивая источник света и фиксируя изменения сигнала рассеяния, исследователи могут восстановить направление волокон в каждом пикселе изображения.

Для работы метода требуется только вращающийся светодиодный источник и микроскопическая камера, что делает установку доступной по сравнению с другими видами продвинутой микроскопии. После сбора изображений специальное программное обеспечение анализирует тонкие паттерны рассеянного света и создает цветовые карты ориентации и плотности волокон, известные как распределения ориентации волокон с учетом микроструктуры.

Универсальность и преимущества метода

ComSLI не зависит от способа подготовки образца. Он работает с формалином фиксированными, парафином залитыми срезами (стандарт в больницах и патологоанатомических лабораториях), а также со свежезамороженными, окрашенными или неокрашенными слайдами. Учёные могут повторно исследовать слайды, созданные для других проектов, даже если они хранились десятилетиями, что позволяет получать новые структурные данные без изменения образцов.

Применение в нейронауке и других областях

Одной из главных задач нейронауки является создание карты микроскопических путей мозга с высокой точностью. Используя ComSLI, Георгиадис и коллеги визуализировали полные формалином фиксированные, парафином залитые срезы человеческого мозга и стандартные слайды, выявляя детальные структуры волокон по всей ткани. Они также исследовали, как эти волокна изменяются при неврологических заболеваниях, таких как рассеянный склероз, лейкоэнцефалопатия и болезнь Альцгеймера.

Особое внимание уделялось гиппокампу — области мозга, центральной для формирования и воспроизведения памяти и часто поражаемой на ранних стадиях нейродегенерации. Сравнивая срез гиппокампа пациента с болезнью Альцгеймера и здорового образца, команда обнаружила явное структурное ухудшение: перекрёстные волокна, обычно соединяющие области гиппокампа, были значительно уменьшены, а основной путь, отвечающий за передачу сигналов, связанных с памятью (перфорирующий путь), был едва различим. В здоровом гиппокампе, напротив, наблюдалась плотная и взаимосвязанная сеть волокон по всей области. Благодаря этим детальным картам исследователи могут видеть, как разрушаются цепи памяти по мере прогрессирования болезни.

Исследование исторических образцов

Для проверки возможностей метода исследователи проанализировали срез мозга, подготовленный в 1904 году. Даже в этом столетнем образце ComSLI выявил сложные волоконные структуры, что позволяет учёным изучать исторические образцы и отслеживать, как структурные особенности меняются на протяжении поколений заболеваний.

Применение за пределами мозга

Хотя метод изначально разрабатывался для исследований мозга, ComSLI хорошо работает и с другими тканями. Команда использовала его для изучения мышц, костей и сосудов, каждая из которых показала уникальные волоконные структуры, связанные с их биологическими функциями. В мышцах языка метод выявил слоистую ориентацию волокон, связанную с движением и гибкостью. В костях были зафиксированы коллагеновые волокна, выравнивающиеся по направлению механической нагрузки. В артериях были показаны чередующиеся слои коллагена и эластина, обеспечивающие прочность и эластичность.

Перспективы и значение метода

Возможность картирования ориентации волокон у разных видов, органов и архивных образцов может существенно изменить подходы к изучению структуры и функции тканей. Это также означает, что миллионы хранящихся по всему миру слайдов могут содержать нераскрытую микроструктурную информацию.

С момента публикации метода уже поступило множество запросов на сканирование образцов и воспроизведение установки ComSLI — многие лаборатории и клиники хотят получить микронное разрешение ориентации волокон и микросвязности на своих гистологических срезах. Ещё один интересный план — вернуться к хорошо охарактеризованным архивам мозга или срезам мозга известных людей и восстановить информацию о микросвязности, раскрывая «секреты», которые считались давно утраченными. В этом и заключается уникальность ComSLI.