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强大的X射线揭示了精神分裂症患者神经元的独特差异

辐射成像 X射线显微镜技术 同步加速器
发布:2021-02-26 11:34:52    


 

精神分裂症神经元的3D X射线图像

2021年2月25日研究人员捕获了纳米尺度的脑细胞细节,发现表明精神分裂症患者的神经元在厚度和曲率上可能有独特的差异,甚至可能可以解释他们的某些症状。

这一发现来自对一小部分捐助者的分析,距离证明神经细胞结构的对比如何解释神经系统疾病还有很长的路要走。但是,随着我们对这些不寻常特征的理解的增长,这可能会导致更好的治疗方法,从而帮助全世界数以千万计的人们提高生活质量。

这项由日本东海大学的研究人员领导的研究利用了两种不同的X射线显微镜技术,一种是在日本的SPring-8光源工厂,另一种是在美国能源部的高级光子源(APS)中。

这两个粒子都沿所谓的同步加速器的弯曲路径加速粒子,从而使它们在光谱的X射线部分散发出短波长的电磁辐射。

使用X射线作为放射源来拍摄微小物体(例如神经元)的精细细节可能有点像一把双刃剑。

一方面,它们的紧波长只是捕获细胞膜的每一个弯曲和编织的东西。APS的分辨率可低至10纳米,这一尺寸使其显着接近揭示单个蛋白通道在细胞膜上形成的质地。从足够的角度来看,有可能将神经元重建为高清晰度的三维地形。

不幸的是,它们与神经元一样小,也很长。当您需要沿着他们身体的整个毫米方向爬行时,跟踪它们表面的每个凹凸都是繁琐的工作。

Argonne的X射线科学部物理学家Vincent De Andrade表示: “样品必须穿过X射线束,以追踪穿过样品的神经元。我们的X射线显微镜的视场约为50微米,大约等于人发的宽度,您需要在几毫米的范围内跟踪这些神经元。''

该团队从四个被诊断为精神分裂症的死者和四个没有精神分裂症的死者的大脑的特定部位采集组织样本,他们使用两种不同的同步加速器进行了繁琐的扫描神经细胞的工作。

图像被组合以将神经元重建为数字模型,从而形成了更大的数据集,可以对这些数据集进行统计比较和对比以寻找区别特征。从统计学上讲,他们发现,与没有精神分裂症的人相比,精神分裂症患者的远离神经元身体的细胞特征的厚度和曲率明显不同。

这些变异可能会影响神经元如何沿其长度传递消息,这可能以某种方式解释了这种疾病的特征,其中最严重的形式包括幻觉,运动控制障碍和妄想。确切地说,这种细胞几何形状偏差的原因是什么,或者这些变化是否一直延伸到神经元的突触“脚趾”,将需要比当代同步加速器能够处理的甚至更多的细节。

当APS在未来几年中获得8.15亿美元的升级费用时,这种情况可能会发生变化,它将使APS产生的X射线束的亮度比当前发射的光束高500倍。

De Andrade表示: “ APS升级将使成像具有更高的灵敏度和分辨率,从而使大脑中神经元的定位过程变得更快,更精确。我们将需要高于10纳米的分辨率来捕获突触连接,这是神经元全面定位的圣杯,而且升级后应该可以实现。”

将精神分裂症的发展机制整合在一起是一个复杂的过程,需要先进的影像学和计算技术。我们正在逐渐了解众多遗传和环境因素,这些因素会在仍处于子宫内时看到大脑发生变化,并随着孩子长大成年而继续发生变化。

如果有办法尽早发现并治疗,我们可以帮助限制,如果不能防止可能使人们处于严重精神疾病风险中的最坏特征。

这项研究发表在《转化精神病学》上。

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