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(jīng)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(chǎn)生了新的見解可能會出現(xiàn)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?nèi)绾斡绊懭祟惔竽X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(jīng)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(lǐng)導的團隊使用稱為三次諧波產(chǎn)生(THG)三光子顯微鏡的先進成像技術(shù)檢查了每種類型的小腦的發(fā)展。
THG是Yildirim在Sur實驗室與麻省理工學院機械工程教授PeterSo合作的先驅(qū)，它可以在無需添加任何化學物質(zhì)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(shù)，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(shè)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(jīng)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(xiàn)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(jīng)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(xiàn)，與沒有MECP2突變的微型大腦中相同細胞類型表現(xiàn)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(jīng)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(nèi)的科學家們所假設(shè)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(xiàn)了問題，但要弄清楚是什么以及為什么會出現(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(jié)構(gòu)之間的界限，例如血管、細胞膜和細胞外空間。由于神經(jīng)形狀在發(fā)育過程中發(fā)生變化，因此該團隊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的神經(jīng)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(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。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(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，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(shè)自己的實驗室，擔任助理教授，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(shù)，他認為THG三光子顯微技術(shù)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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