La resonancia magnética superpotente fusionada con microscopía de hoja de luz permite a los investigadores crear un diagrama de cableado de alta definición de todo el cerebro en ratones. Crédito: Centro Duke para microscopía in vivo
La tecnología de resonancia magnética del esfuerzo dirigido por Duke revela todo el cerebro del ratón en la resolución más alta.
Investigadores de varias universidades han hecho un gran avance en la tecnología de resonancia magnética, capturando las imágenes más nítidas jamás vistas del cerebro de un ratón. Esta resonancia magnética refinada, combinada con microscopía de hoja de luz, ofrece una forma sin precedentes de visualizar la conectividad cerebral, lo que podría conducir a una mejor comprensión de las enfermedades neurodegenerativas en humanos.
La resonancia magnética nuclear (RMN) es la forma en que visualizamos tejidos blandos y acuosos que son difíciles de visualizar con rayos X. Pero mientras que una resonancia magnética ofrece una resolución lo suficientemente buena para detectar un tumor cerebral, tiene que ser mucho más nítida para visualizar los detalles microscópicos en el cerebro que revelan su organización.
En un tour de force técnico de décadas dirigido por el Centro de Microscopía In Vivo de Duke con colegas del Centro de Ciencias de la Salud de la Universidad de Tennessee, la Universidad de Pensilvania, la Universidad de Pittsburgh y la Universidad de Indiana, los investigadores aceptaron el desafío y mejoraron la resolución de la resonancia magnética. lo que lleva a las imágenes más nítidas jamás capturadas del cerebro de un ratón.
Coincidiendo con el 50mi Aniversario de la primera resonancia magnética, los investigadores generaron escaneos del cerebro de un ratón que son dramáticamente más nítidos que una resonancia magnética clínica típica para humanos, el equivalente científico de pasar de un gráfico pixelado de 8 bits al detalle hiperrealista de una pintura de Chuck Close.
Un solo vóxel en las nuevas imágenes, piénselo como un píxel cúbico, tiene solo 5 micrones de tamaño. Eso es 64 millones de veces más pequeño que un vóxel de resonancia magnética clínica.
Duke MRI obtiene imágenes de todo el cerebro del ratón con una resolución 64 millones de veces mayor que la resonancia magnética clínica, lo que ofrece la esperanza de comprender la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer y otras enfermedades. Crédito: Centro Duke para microscopía in vivo
Aunque los investigadores enfocaron sus imanes en ratones en lugar de humanos, la resonancia magnética refinada ofrece una nueva forma importante de visualizar la conectividad de todo el cerebro con una resolución récord. Los investigadores dicen que los nuevos conocimientos de las imágenes de ratones conducirán a su vez a una mejor comprensión de las condiciones en los humanos, como cómo cambia el cerebro con la edad, la dieta o incluso con enfermedades neurodegenerativas como[{» attribute=»»>Alzheimer’s.
“It is something that is truly enabling. We can start looking at neurodegenerative diseases in an entirely different way,” said G. Allan Johnson, Ph.D., the lead author of the new paper and the Charles E. Putman University Distinguished professor of radiology, physics and biomedical engineering at Duke.
Johnson’s excitement is a long time coming. The team’s new work, published on April 17 in the Proceedings of the National Academy of Sciences, is the culmination of nearly 40 years of research at the Duke Center for In Vivo Microscopy.
Over the four decades, Johnson, his engineering graduate students and his many collaborators at Duke and afar refined many elements that, when all combined, made the revolutionary MRI resolution possible.
A super-powerful MRI merged with light-sheet microscopy allows researchers to create a high-definition wiring diagram of the entire brain in mice. Credit: Duke Center for In Vivo Microscopy
Some of the key ingredients include an incredibly powerful magnet (most clinical MRIs rely on a 1.5 to 3 Tesla magnet; Johnson’s team uses a 9.4 Tesla magnet), a special set of gradient coils that are 100 times stronger than those in a clinical MRI and help generate the brain image, and a high-performance computer equivalent to nearly 800 laptops all cranking away to image one brain.
After Johnson and his team “scan the daylights out of it,” they send off the tissue to be imaged using a different technique called light sheet microscopy. This complementary technique gives them the ability to label specific groups of cells across the brain, such as dopamine-issuing cells to watch the progression of Parkinson’s disease.
The team then maps the light sheet pictures, which give a highly accurate look at brain cells, onto the original MRI scan, which is much more anatomically accurate and provides a vivid view of cells and circuits throughout the entire brain.
With this combined whole brain data imagery, researchers can now peer into the microscopic mysteries of the brain in ways never possible before.
One set of MRI images shows how brain-wide connectivity changes as mice age, as well as how specific regions, like the memory-involved subiculum, change more than the rest of the mouse’s brain.
Another set of images showcases a spool of rainbow-colored brain connections that highlight the remarkable deterioration of neural networks in a mouse model of Alzheimer’s disease.
The hope is that by making the MRI an even higher-powered microscope, Johnson and others can better understand mouse models of human diseases, such as Huntington’s disease, Alzheimer’s, and others. And that should lead to a better understanding of how similar things function or go awry in people.
“Research supported by the National Institute of Aging uncovered that modest dietary and drug interventions can lead to animals living 25% longer,” Johnson said. “So, the question is, is their brain still intact during this extended lifespan? Could they still do crossword puzzles? Are they going to be able to do Sudoku even though they’re living 25% longer? And we have the capacity now to look at it. And as we do so, we can translate that directly into the human condition.”
Reference: “Merged magnetic resonance and light sheet microscopy of the whole mouse brain” by G. Allan Johnson, Yuqi Tian, David G. Ashbrook, Gary P. Cofer, James J. Cook, James C. Gee, Adam Hall, Kathryn Hornburg, Yi Qi, Fang-Cheng Yeh, Nian Wang, Leonard E. White and Robert W. Williams, 17 April 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2218617120
This research was supported by the National Institutes of Health (R01-AG070913391, R01-NS096729, P41EB015897, S10OD010683).