麻省理工學(xué)院皮考爾學(xué)習(xí)與記憶研究所的科學(xué)家們使用一種創(chuàng)新的顯微鏡方法觀察了新生神經(jīng)元如何在雷特綜合征的高級(jí)人腦組織模型中難以到達(dá)其適當(dāng)位置，從而對(duì)患者大腦中觀察到的發(fā)育缺陷產(chǎn)生了新的見解可能會(huì)出現(xiàn)毀滅性的紊亂。
Rett綜合征的特征是嚴(yán)重的智力殘疾和社會(huì)行為受損，是由基因MECP2的突變引起的。為了深入了解這種突變?nèi)绾斡绊懭祟惔竽X發(fā)育的早期階段，麻省理工學(xué)院腦與認(rèn)知科學(xué)系牛頓神經(jīng)科學(xué)教授MrrigankaSur實(shí)驗(yàn)室的研究人員使用細(xì)胞培養(yǎng)了稱為大腦類器官或迷你腦的3D細(xì)胞培養(yǎng)物。來自具有MECP2突變的人，并將它們與沒有突變的其他相同培養(yǎng)物進(jìn)行比較。然后，由博士后MuratYildirim領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)使用稱為三次諧波產(chǎn)生(THG)三光子顯微鏡的先進(jìn)成像技術(shù)檢查了每種類型的小腦的發(fā)展。
THG是Yildirim在Sur實(shí)驗(yàn)室與麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授PeterSo合作的先驅(qū)，它可以在無需添加任何化學(xué)物質(zhì)來標(biāo)記細(xì)胞的情況下，對(duì)活的完整組織進(jìn)行非常高分辨率的成像。Yildirim說，發(fā)表在eLife上的這項(xiàng)新研究是第一個(gè)使用THG對(duì)類器官進(jìn)行成像的研究，使它們幾乎不受干擾。以前的類器官成像研究需要使用無法在整個(gè)3D組織中成像的技術(shù)，或者需要?dú)⑺琅囵B(yǎng)物的方法：要么將它們切成薄片，要么對(duì)它們進(jìn)行化學(xué)清除和標(biāo)記。
三光子顯微鏡使用激光，但Yildirim和So定制設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室的顯微鏡，使其對(duì)組織施加的功率不超過貓玩具激光指示器(小于5毫瓦)。
“你應(yīng)該確保你沒有以任何不利的方式改變或影響神經(jīng)元生理，”Yildirim說。“你真的應(yīng)該保持一切完好無損，并確保你沒有攜帶可能造成破壞的外部物品。這就是我們對(duì)電源(和化學(xué)標(biāo)簽)如此謹(jǐn)慎的原因。”
即使在低功率下，它們也能獲得足夠的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)固定和活類器官的無標(biāo)記、完整成像。為了驗(yàn)證他們將他們的THG圖像與通過更傳統(tǒng)的化學(xué)標(biāo)記方法制作的圖像進(jìn)行了比較。
THG系統(tǒng)使他們能夠跟蹤新生神經(jīng)元的遷移，因?yàn)樗鼈儚男∧X(稱為腦室)的開放空間周圍的邊緣移動(dòng)到與大腦皮層直接相似的外邊緣。他們發(fā)現(xiàn)，與沒有MECP2突變的微型大腦中相同細(xì)胞類型表現(xiàn)出的直線運(yùn)動(dòng)更快相比，模擬Rett綜合征的微型大腦中的新生神經(jīng)元移動(dòng)緩慢且蜿蜒曲折。蘇爾說，這種遷移缺陷的后果與包括他實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的科學(xué)家們所假設(shè)的雷特綜合征胎兒的情況一致。
麻省理工學(xué)院西蒙斯社會(huì)大腦中心主任蘇爾說：“我們從死后大腦和大腦成像方法中了解到，雷特綜合征的大腦發(fā)育過程中出現(xiàn)了問題，但要弄清楚是什么以及為什么會(huì)出現(xiàn)異常困難令人驚訝。”“這種方法使我們能夠直接可視化關(guān)鍵貢獻(xiàn)者。”
Yildirim說，THG對(duì)沒有標(biāo)簽的組織進(jìn)行成像，因?yàn)樗鼘?duì)材料的折射率變化非常敏感。因此，它解決了生物結(jié)構(gòu)之間的界限，例如血管、細(xì)胞膜和細(xì)胞外空間。由于神經(jīng)形狀在發(fā)育過程中發(fā)生變化，因此該團(tuán)隊(duì)還能夠清楚地看到腦室區(qū)(新生神經(jīng)元出現(xiàn)的腦室周圍區(qū)域)和皮質(zhì)板(成熟神經(jīng)元進(jìn)入的區(qū)域)之間的界限。解決各種心室并將它們分割成不同的區(qū)域也很容易。
這些特性使研究人員能夠看到，在Rett綜合征類器官中，腦室更大、數(shù)量更多，而腦室區(qū)域——神經(jīng)元出生的腦室周圍的邊緣——更薄。在活的類器官中，他們能夠在幾天內(nèi)跟蹤一些向皮層移動(dòng)的神經(jīng)元，每20分鐘拍攝一張新照片，就像真實(shí)發(fā)育中的大腦中的神經(jīng)元也試圖這樣做一樣。他們發(fā)現(xiàn)，Rett綜合征神經(jīng)元的速度只有非突變神經(jīng)元的三分之二左右。Rett神經(jīng)元的路徑也明顯更加擺動(dòng)。這兩個(gè)差異加起來意味著雷特細(xì)胞幾乎沒有達(dá)到一半。
“我們現(xiàn)在想知道MECP2如何影響影響神經(jīng)元遷移的基因和分子，”Sur說。“通過篩選Rett綜合征類器官，我們有了一些很好的猜測(cè)，我們渴望對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。”Yildirim將于9月在克利夫蘭診所的勒納研究所(ClevelandClinic'sLernerResearchInstitute)開設(shè)自己的實(shí)驗(yàn)室，擔(dān)任助理教授，他說他根據(jù)研究結(jié)果提出了新的問題。他想在類器官發(fā)育的后期進(jìn)行成像，以跟蹤蜿蜒遷移的后果。他還想了解更多關(guān)于特定細(xì)胞類型是否難以遷移的更多信息，這可能會(huì)改變皮層回路的工作方式。
Yildirim還表示，他希望繼續(xù)推進(jìn)THG三光子顯微技術(shù)，他認(rèn)為THG三光子顯微技術(shù)在人類細(xì)粒度成像方面具有潛力。這對(duì)人們來說可能是一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)，尤其是成像方法可以深入活組織而不需要人工標(biāo)簽。
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