В недавней статье на сайте DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron — «Немецкий электронный синхротрон») говорится о том, как проект PETRA IV меняет карту головного мозга.

Картинка с сайта DESY

Благодаря синхротрону PETRA III в DESY уже сегодня можно визуализировать клеточную архитектуру человеческого мозга с высоким разрешением и в трех измерениях с помощью рентгеновских лучей. Планируемый синхротрон PETRA IV позволит картировать не только нейроны, но и их связи и точки контакта – синапсы – и, таким образом, всю нейронную сеть.

Ученые используют на PETRA III специальную методику, называемую фазово-контрастной томографией, для исследования образцов тканей человеческого мозга. Потенциальные области применения этой методики многообразны: от исследований нейродегенеративных заболеваний до изучения гиппокампа и коры головного мозга, а также структуры и функционирования мозжечка на клеточном уровне.

Мозжечок, например, — это область мозга с чрезвычайно высокой плотностью нервных клеток (нейронов). Он выполняет множество сложных функций. Среди прочего, мозжечок координирует движения, поддерживает равновесие, отвечает за тонкую настройку двигательных навыков и обучается автоматизированным последовательностям движений — что делает его крайне важным для прямохождения человека. Однако мы точно не знаем, как нейроны расположены относительно друг друга, какова их взаимосвязь и как изменяется трехмерная архитектура при определенных заболеваниях. Используя оптический микроскоп на гистологических срезах тканей, это пока можно исследовать только в двух измерениях. Более того, разрешения недостаточно для идентификации каждой клетки или даже тонких структур внутри клетки. Синхротронное излучение, напротив, позволяет нам заглянуть глубоко в ткань, что невозможно с помощью других микроскопических методов, таких как электронная микроскопия.

Целые области мозга визуализируются в трех измерениях и с высоким разрешением с помощью ярких рентгеновских лучей.

Таким образом, ученые смогли точно измерить около 1,8 миллиона нервных клеток на установке PETRA III — в крошечном тканевом кубе размером всего в один кубический миллиметр. Эти данные собираются в цифровые атласы мозга, которые другие ученые могут использовать для проведения моделирования и исследований. В тесном сотрудничестве с медицинскими специалистами команда физиков исследовала изменения в нейронной архитектуре при болезни Альцгеймера и рассеянном склерозе. Также возможны точные данные о других органах: например, были визуализированы повреждения кровеносных сосудов в сердце и легких, вызванные COVID-19.

В настоящее время на установке PETRA III ученые работают в основном с размерами пикселей от 50 нанометров до чуть более 500 нанометров. Ожидается, что установка PETRA IV позволит получать четкие изображения даже при размерах пикселей в 10 нанометров, что позволит получить совершенно новые данные. Для иллюстрации масштаба можно привести сравнение: диаметр человеческого волоса составляет около 50 000–100 000 нанометров.