麻省理工學院皮考爾學習與記憶研究所的科學家們使用一種創(chuàng)新的顯微鏡方法觀察了新生神經元如何在雷特綜合征的高級人腦組織模型中難以到達其適當位置，從而對患者大腦中觀察到的發(fā)育缺陷產生了新的見解可能會出現毀滅性的紊亂。
Rett綜合征的特征是嚴重的智力殘疾和社會行為受損，是由基因MECP2的突變引起的。為了深入了解這種突變如何影響人類大腦發(fā)育的早期階段，麻省理工學院腦與認知科學系牛頓神經科學教授MrrigankaSur實驗室的研究人員使用細胞培養(yǎng)了稱為大腦類器官或迷你腦的3D細胞培養(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)物進行比較。然后，由博士后MuratYildirim領導的團隊使用稱為三次諧波產生(THG)三光子顯微鏡的先進成像技術檢查了每種類型的小腦的發(fā)展。
THG是Yildirim在Sur實驗室與麻省理工學院機械工程教授PeterSo合作的先驅，它可以在無需添加任何化學物質來標記細胞的情況下，對活的完整組織進行非常高分辨率的成像。Yildirim說，發(fā)表在eLife上的這項新研究是第一個使用THG對類器官進行成像的研究，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3D組織中成像的技術，或者需要殺死培養(yǎng)物的方法：要么將它們切成薄片，要么對它們進行化學清除和標記。
三光子顯微鏡使用激光，但Yildirim和So定制設計了實驗室的顯微鏡，使其對組織施加的功率不超過貓玩具激光指示器(小于5毫瓦)。
“你應該確保你沒有以任何不利的方式改變或影響神經元生理，”Yildirim說。“你真的應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。這就是我們對電源(和化學標簽)如此謹慎的原因。”
即使在低功率下，它們也能獲得足夠的信號，以實現固定和活類器官的無標記、完整成像。為了驗證他們將他們的THG圖像與通過更傳統(tǒng)的化學標記方法制作的圖像進行了比較。
THG系統(tǒng)使他們能夠跟蹤新生神經元的遷移，因為它們從小腦(稱為腦室)的開放空間周圍的邊緣移動到與大腦皮層直接相似的外邊緣。他們發(fā)現，與沒有MECP2突變的微型大腦中相同細胞類型表現出的直線運動更快相比，模擬Rett綜合征的微型大腦中的新生神經元移動緩慢且蜿蜒曲折。蘇爾說，這種遷移缺陷的后果與包括他實驗室在內的科學家們所假設的雷特綜合征胎兒的情況一致。
麻省理工學院西蒙斯社會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)育過程中出現了問題，但要弄清楚是什么以及為什么會出現異常困難令人驚訝。”“這種方法使我們能夠直接可視化關鍵貢獻者。”
Yildirim說，THG對沒有標簽的組織進行成像，因為它對材料的折射率變化非常敏感。因此，它解決了生物結構之間的界限，例如血管、細胞膜和細胞外空間。由于神經形狀在發(fā)育過程中發(fā)生變化，因此該團隊還能夠清楚地看到腦室區(qū)(新生神經元出現的腦室周圍區(qū)域)和皮質板(成熟神經元進入的區(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、數量更多，而腦室區(qū)域——神經元出生的腦室周圍的邊緣——更薄。在活的類器官中，他們能夠在幾天內跟蹤一些向皮層移動的神經元，每20分鐘拍攝一張新照片，就像真實發(fā)育中的大腦中的神經元也試圖這樣做一樣。他們發(fā)現，Rett綜合征神經元的速度只有非突變神經元的三分之二左右。Rett神經元的路徑也明顯更加擺動。這兩個差異加起來意味著雷特細胞幾乎沒有達到一半。
“我們現在想知道MECP2如何影響影響神經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，我們渴望對其進行測試。”Yildirim將于9月在克利夫蘭診所的勒納研究所(ClevelandClinic'sLernerResearchInstitute)開設自己的實驗室，擔任助理教授，他說他根據研究結果提出了新的問題。他想在類器官發(fā)育的后期進行成像，以跟蹤蜿蜒遷移的后果。他還想了解更多關于特定細胞類型是否難以遷移的更多信息，這可能會改變皮層回路的工作方式。
Yildirim還表示，他希望繼續(xù)推進THG三光子顯微技術，他認為THG三光子顯微技術在人類細粒度成像方面具有潛力。這對人們來說可能是一個重要的優(yōu)勢，尤其是成像方法可以深入活組織而不需要人工標簽。
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