Bron: Science Daily | Methode: Herschreven
Origineel: “Simple light trick reveals hidden brain pathways in microscopic detail”
Microscopic fibers secretly shape how every organ in the body works, yet they’ve been notoriously hard to study—until now. A new imaging technique called ComSLI reveals hidden fiber orientations in stunning detail using only a rotating LED light and simple…
Wetenschappers van Stanford Medicine hebben een baanbrekende beeldtechniek ontwikkeld die verborgen vezelnetwerken in menselijke weefsels zichtbaar maakt met verbluffende precisie. De methode, genaamd ComSLI (computational scattered light imaging), gebruikt slechts een draaiende LED-lamp en standaard microscopie-apparatuur om structuren te onthullen die decennialang verscholen zijn gebleven.
**Microscopische vezels vormen basis van orgaanfunctie**
Elk weefsel in het menselijk lichaam bevat uiterst kleine vezels die een cruciale rol spelen bij de coördinatie van orgaanbewegingen, functies en communicatie. Spiervezels sturen fysieke kracht, darmvezels ondersteunen de beweging van het spijsverteringsstelsel, en hersenvezels transporteren elektrische signalen waardoor verschillende hersengebieden informatie kunnen uitwisselen.
Deze ingewikkelde vezelsystemen helpen de structuur van elk orgaan vorm te geven en zorgen ervoor dat ze naar behoren functioneren. Veel ziekten verstoren echter deze delicate netwerken. In de hersenen komt schade aan vezelverbindingen voor bij vrijwel alle neurologische aandoeningen, waar het bijdraagt aan veranderingen in neurale communicatie.
Ondanks hun essentiële rol zijn deze microscopische structuren lang moeilijk te bestuderen geweest. Onderzoekers hadden moeite om te bepalen hoe vezels georiënteerd zijn binnen weefsels, wat het volledig begrijpen van veranderingen bij gezondheid en ziekte bemoeilijkte.
**Doorbraak met eenvoudige opstelling**
Het onderzoeksteam onder leiding van Marios Georgiadis, docent neuroimaging aan Stanford, heeft nu een aanpak geïntroduceerd die deze moeilijk zichtbare vezelpatronen met uitzonderlijke helderheid en relatief lage kosten zichtbaar maakt. Hun techniek, beschreven in Nature Communications, kan de oriëntatie en organisatie van weefselvezels op micrometer-resolutie onthullen op vrijwel elke histologische preparaat, ongeacht hoe het werd gekleurd of geconserveerd.
“De informatie over weefselstructuren is er altijd al geweest, verborgen voor het blote oog,” aldus Georgiadis. “ComSLI geeft ons simpelweg een manier om die informatie te zien en in kaart te brengen.”
De methode werkt zelfs op preparaten die tientallen jaren oud zijn. Michael Zeineh, professor radiologie en mede-senior auteur van het onderzoek, benadrukt de toegankelijkheid: “Dit is een hulpmiddel dat elk laboratorium kan gebruiken. Je hebt geen gespecialiseerde voorbereiding of dure apparatuur nodig.”
**Werkingsprincipe en voordelen**
ComSLI is gebaseerd op een fundamentaal fysisch principe: wanneer licht microscopische structuren tegenkomt, verstrooit het in verschillende richtingen afhankelijk van hun oriëntatie. Door de lichtbron te roteren en te registreren hoe het verstrooiingssignaal verandert, kunnen onderzoekers de richting van de vezels binnen elke pixel van een beeld reconstrueren.
Na het verzamelen van beelden analyseert software delicate patronen in het verstrooide licht om kleurgecodeerde kaarten van vezeliëntatie en dichtheid te genereren, bekend als microstructuur-geïnformeerde vezelorientatieverdelingen.
Traditionele beeldtechnieken hebben aanzienlijke beperkingen. MRI kan grote anatomische netwerken markeren maar kan geen kleine cellulaire structuren vastleggen. Histologische technieken vereisen vaak gespecialiseerde kleuringen, dure apparatuur en zorgvuldig geconserveerde monsters, en hebben nog steeds moeite om vezelkruisingen duidelijk weer te geven.
**Toepassingen bij hersenziekten**
Een belangrijk doel in de neurowetenschappen is het in kaart brengen van de microscopische hersenpaden met hoge precisie. Met ComSLI visualiseerden Georgiadis en collega’s volledige menselijke hersensecties en onderzochten ze hoe vezels veranderen bij neurologische aandoeningen zoals multiple sclerose, leuko-encefalopathie en de ziekte van Alzheimer.
Een focus lag op de hippocampus, een diepe hersenregio centraal voor geheugenvorming en -opslag, die vaak vroeg wordt aangetast bij neurodegeneratie. Bij vergelijking van een hippocampale sectie van een patiënt met Alzheimer met een gezond monster observeerde het team duidelijke structurele verslechtering. Vezelkruisingen die normaal helpen bij het verbinden van hippocampusregio’s waren sterk verminderd, en een belangrijke baan die geheugengerelateerde signalen naar de regio brengt was nauwelijks zichtbaar.
De gezonde hippocampus daarentegen toonde een dicht en onderling verbonden netwerk van vezels over het hele gebied. Met deze gedetailleerde kaarten kunnen onderzoekers zien hoe geheugencircuits afbreken naarmate de ziekte voortschrijdt.
**Historische en bredere toepassingen**
Om de grenzen van de methode te testen, analyseerden de onderzoekers een hersensectie die in 1904 was bereid. Zelfs in dit eeuwenoude monster identificeerde ComSLI ingewikkelde vezelpatronen, waardoor wetenschappers historische specimens kunnen bestuderen.
Hoewel ComSLI oorspronkelijk werd ontworpen voor hersenonderzoek, werkt het ook goed in andere weefsels. Het team gebruikte het om spier-, bot- en vaatmonsters te bestuderen, die elk unieke vezelarrangementen onthulden die gekoppeld zijn aan hun biologische functies. In tongspier benadrukte de methode gelaagde vezelorientaties gekoppeld aan beweging en flexibiliteit. In bot legde het collageenvezels vast die zich uitlijnen met mechanische stress.
**Vooruitblik**
“Hoewel we net de methode hebben gepresenteerd, zijn er al meerdere verzoeken voor het scannen van monsters en het repliceren van de ComSLI-opstelling,” aldus Georgiadis. “Een ander spannend plan is om terug te gaan naar goed gekarakteriseerde hersenarchieven of hersensecties van beroemde mensen, en deze micro-connectiviteitsinformatie te herstellen, waarbij ‘geheimen’ worden onthuld die als verloren werden beschouwd.”
Deze doorbraak belooft nieuwe inzichten te ontsluiten uit miljoenen opgeslagen preparaten wereldwijd, wat de manier waarop wetenschappers structuur en functie onderzoeken ingrijpend zou kunnen veranderen.