Американские исследователи разработали систему магнитно-резонансной томографии (МРТ) беспрецедентной точности, способную создавать изображения в 64 миллиона раз более четкие, чем при использовании обычной МРТ. Эта технология позволила составить карту всего мозга мыши, выявив практически субклеточные детали.
МРТ широко используется в медицинской визуализации для получения изображений мягких и водянистых тканей, таких как ткани нервной системы, сердца, мышц и т.д. Контрастные изменения, получаемые на изображениях, позволяют точно обнаружить опухоли или повреждения, а в случае функциональной МРТ - измерить активность в различных областях мозга. Однако, несмотря на свою эффективность, МРТ-сканеры, имеющиеся в настоящее время в медицинских центрах, не способны визуализировать мельчайшие детали устройства мозга.
Инновационная система МРТ была разработана совместно с исследователями из Центра микроскопии в естественных условиях Дьюка (Северная Каролина). Она позволила получить самые четкие на сегодняшний день изображения мозга млекопитающих. Размер вокселя (трехмерного пикселя) на этих новых изображениях составляет всего 5 микрометров, что в 64 миллиона раз меньше, чем размер вокселя на обычных МРТ. Такое улучшение разрешения эквивалентно превращению однобайтового пиксельного изображения в изображение, достойное лучших камер.
Первые изображения, полученные исследователями, были сделаны на мышах, обеспечивая потрясающе высокое разрешение изображения связей мозга. Такая повышенная точность позволит лучше понять изменения в мозгу человека, в том числе связанные со старением, питанием или нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера. "Это то, что действительно позволяет нам совершенно по-другому взглянуть на нейродегенеративные заболевания", — говорит в своем заявлении ведущий разработчик новой системы Г. Аллан Джонсон.
В рамках другого проекта в 2021 году исследователи разработали самый мощный в мире МРТ с колоссальной магнитной силой в 11,7 Тесла (по сравнению с 1,5-3 Тесла у обычных МРТ), позволяющий получать изображения с разрешением 400 микрометров.
Хотя мощность магнитного поля немного ниже (9,4 Тесла), новое устройство, описанное в журнале PNAS, обеспечивает лучшее разрешение благодаря сочетанию двух технологических достижений. В его основе лежит набор градиентных тензорных катушек с изотропным разрешением 15 микрометров - в 1000 раз выше, чем при обычной МРТ. Для получения изображений система поддерживается мощным компьютером с производительностью 800 стандартных компьютеров вместе взятых.
В качестве второго основного компонента устройство Джонсона и его команды также использует микроскопию светового листа. Это технология, специально разработанная для больших образцов (организмов, органоидов, органов и биопсий), использующая уникальный принцип освещения, позволяющий избежать фототоксичности. Ее стабильность и точность также позволяют визуализировать живые образцы в течение длительного времени с субклеточным (микрометровым) разрешением.
После сканирования мозговой ткани мышей при дневном свете исследовательская группа исследовала ее под световой микроскопией, чтобы различать разные группы клеток мозга (например, те, которые выделяют дофамин). Такая маркировка позволяет следить за прогрессированием нейродегенеративных заболеваний. Изменения в определенных областях мозга, таких как субикулум, отвечающий за память, также можно было наблюдать по мере старения мышей.
Кроме того, серия изображений, представляющих мозговые связи в семи цветах, с удивительной ясностью показывает разрушение нейронных сетей в мышиной модели болезни Альцгеймера. Этот процесс можно наблюдать и у людей, что может пролить свет на то, как развиваются патологии мозга.
По словам Джонсона, "исследования, проведенные при поддержке Национального института по проблемам старения, показали, что изменения в рационе питания и лекарственные препараты позволяют людям жить на 25% дольше". Новое устройство позволит получить представление о состоянии мозга пациентов, которое может быть нарушено, несмотря на увеличение продолжительности жизни. Устройство имеет множество других потенциальных применений и может открыть новый путь для понимания нейродегенеративных заболеваний и других состояний.