Beynin mikro ve makro anlayışları arasında köprü kurmak

İnsan Beyni Projesi’nden araştırmacılar, insan beyninin sinir ağını veya birbirine bağlı yapısını moleküler düzeyden makro düzeye anlamak için farklı görüntüleme yöntemlerini birleştiren çok ölçekli bir yaklaşım kullandı. Sinir liflerini görselleştirmek için 3-D polarize optik görüntüleme kullandılar ve bulguları, verilere uzamsal olarak atıfta bulunmak için bir Golitik beyin atlasının içine yerleştirdiler ve beynin organizasyonu ve işleyişine dair yeni içgörüler ortaya çıkardılar.

Beynimizin nasıl çalıştığını anlamak için, farklı beyin bölgelerinin birbirine sinir lifleri ile nasıl bağlandığını araştırmanın bir yolu yoktur. dergide Bilimlerİnsan Beyni Projesi (HBP) araştırmacıları, alanın mevcut durumunu gözden geçiriyor, moleküler ve hücresel düzeyden makro düzeye kadar farklı uzamsal ölçeklerde beynin sinir ağının nasıl yapılandırıldığına dair içgörü sağlıyor ve mevcut yaklaşımları ve gelecekteki gereksinimleri değerlendiriyor bir sinir ağının karmaşık organizasyonunu anlamak için.

Forschungszentrum Jülich, C.&O. • Düsseldorf Üniversite Hastanesi’ndeki Vogt Beyin Araştırmaları Enstitüsü. “Sinir ağı birden çok düzeyde yuvalanmıştır. Yapısını anlamak için, farklı deneysel yaklaşımları çok ölçekli bir yaklaşımda birleştirerek ve elde edilen verileri Julich Beyin atlası gibi çok düzeyli atlaslara entegre ederek, aynı anda birkaç uzamsal ölçeğe bakmamız gerekir. geliştirdi.”

Forschungszentrum Jülich’ten Markus Axer ve Wuppertal Üniversitesi Fizik Bölümü’nün ilk yazarıdır. Bilimler O ve INM-1’deki ekibi, sinir liflerini mikroskobik çözünürlükte görselleştirmek için 3D Polarize Işık Görüntüleme (3D-PLI) adı verilen benzersiz bir yöntem geliştirdi. Araştırmacılar, tüm insan beyninin bir 3D fiber atlasını geliştirmek amacıyla seri beyin bölümlerindeki 3D lif kurslarını izliyor.

3D polarize fotoakustik görüntüleme ile ortaya çıkan, hipokampusta tek aksonlara kadar liflerin yapısını gösteren insan beyninin bir bölümünün detayı. Renkler, tek tek lif yollarını ve izlerini vurgulayan 3B lif yönlerini temsil eder. Kredi: Markus Axer ve Katrin Amontz, INM-1, Forchungcentrum Jülich

Axer ve ekibi, Fransa’daki Neurospin ve İtalya’daki Floransa Üniversitesi’nden diğer HBP araştırmacılarıyla işbirliği içinde, yakın zamanda birkaç farklı yöntem kullanarak bir insan hipokampüsünden aynı doku kütlesini görüntüledi: anatomik ve difüzyon manyetik rezonans görüntüleme (aMRI ve dMRI), iki-[{” attribute=””>photon fluorescence microscopy (TPFM) and 3D-PLI, respectively.

Microscopy methods like TPFM provide sub-micrometer resolution images of small brain volumes revealing microstructures of the brain’s cerebral cortex, but they have their limitations in disentangling fibers connecting distant brain regions, which build the deep white matter structures. This is even more true for electron microscopic measurements, which enable nanometre-resolved insights into a cubic millimeter of brain tissue. In contrast, dMRI can be used for tractography at the whole-brain level – visualizing white matter connections – but cannot resolve individual fibers or small tracts.

“3D-PLI serves as a bridge between micro and macro methods,” says Amunts. “This is because 3D-PLI resolves the fiber architecture at high resolution and, at the same time, allows imaging of whole-brain sections that we can then reconstruct in 3D to trace fiber connections.”

Combining dMRI, TPFM, and 3D-PLI enabled the researchers to superimpose the three modalities within the same reference space. “This integration of data was only made possible by imaging one and the same tissue sample,” explains Axer. The human hippocampus block traveled from Germany to France, back to Germany, and finally to Italy, being processed and imaged in different laboratories benefiting from the local, highly specialized equipment.

The researchers then used the Julich Brain Atlas to spatially anchor their data in an anatomical reference space. The three-dimensional atlas contains more than 250 cytoarchitectonic maps of brain areas and forms the centerpiece of the HBP’s Multilevel Human Brain Atlas. “Our brain atlas enables us to pinpoint exactly where in the brain we find these microstructures,” explains Amunts. The dataset is openly accessible via the HBP’s EBRAINS infrastructure and can be browsed in an interactive atlas viewer.

The researchers multi-scale approach combining multiple modalities at different spatial scales to unravel the human connectome is unique and provides exciting new insights into how the human brain works.

Even though the hippocampus reconstruction is a lighthouse project, there are several international efforts ongoing (or about to start) that need to be orchestrated at an open atlas level to enable the integration of multi-scale data. Amunts and Axer emphasize that this is a prerequisite for revealing the principles of connectivity within the experimentally accessible range of scales – from axons to pathways. In other words, an integrated multi-scale approach that combines micro and macro methods is necessary to describe and understand the nested organization of the human brain. This requires critical reassessment of current methodology, including tractography, the authors say.

Reference: “Scale matters: The nested human connectome” by Markus Axer and Katrin Amunts, 3 November 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abq2599