Uniendo conocimientos micro y macro del cerebro

Los científicos del Proyecto Cerebro Humano (HBP, por sus siglas en inglés) utilizaron un enfoque multiescala único, que incorporó diferentes métodos experimentales, para investigar la compleja organización de la red neuronal del cerebro. Han combinado técnicas como resonancia magnética anatómica y de difusión, microscopía de dos fotones e imágenes de luz polarizada en 3D para visualizar y comprender las fibras nerviosas en varias escalas espaciales. Sus hallazgos, que se han vinculado dentro del Gulish Brain Atlas como referencia, revelan nuevos conocimientos sobre la conectividad y la función en diferentes regiones del cerebro.

Los investigadores del Human Brain Project utilizaron un enfoque multiescala, combinando diferentes métodos de imágenes, para comprender la red neuronal del cerebro humano, o la estructura interconectada, desde el nivel molecular hasta el nivel macro. Utilizaron imágenes ópticas polarizadas tridimensionales para visualizar las fibras nerviosas y colocaron sus hallazgos dentro de un atlas cerebral golítico para referirse a los datos espacialmente, revelando nuevos conocimientos sobre la organización y el funcionamiento del cerebro.

Para entender cómo funciona nuestro cerebro, no hay forma de investigar cómo las diferentes regiones del cerebro están conectadas entre sí por medio de fibras nerviosas. en el diario Cienciaslos investigadores del Human Brain Project (HBP) revisan el estado actual del campo, brindan información sobre cómo se estructura la red neuronal del cerebro en diferentes escalas espaciales, desde el nivel molecular y celular hasta el nivel macro, y evalúan los enfoques actuales y los requisitos futuros. para comprender la compleja organización de una red neuronal.

«No es suficiente estudiar la conectividad cerebral de una o incluso dos formas», dice la autora y directora científica de HBP Katrin Amonts, quien dirige el Instituto de Neurociencias y Medicina (INM-1) en Forschungszentrum Jülich, C. & O. • Instituto Vogt para la Investigación del Cerebro en el Hospital Universitario de Düsseldorf. «La red neuronal está anidada en múltiples niveles. Para comprender su estructura, debemos considerar varias escalas espaciales simultáneamente combinando diferentes enfoques experimentales en un enfoque multiescala e integrando los datos obtenidos en atlas multinivel como el Julich Brain atlas que desarrollamos. él.»

Markus Axer del Forschungszentrum Jülich y del Departamento de Física de la Universidad de Wuppertal es el primer autor de Ciencias Él y su equipo en INM-1 desarrollaron un método único llamado Imágenes de luz polarizada 3D (3D-PLI) para visualizar las fibras nerviosas con una resolución microscópica. Los investigadores rastrean los cursos 3D de fibras a través de secciones cerebrales en serie con el objetivo de desarrollar un atlas de fibra 3D de todo el cerebro humano.

Detalle de una sección del cerebro humano que muestra la estructura de las fibras hasta axones individuales en el hipocampo, revelada por imágenes fotoacústicas polarizadas en 3D. Los colores representan las direcciones de las fibras en 3D que resaltan las vías y los tractos individuales de las fibras. Crédito: Markus Axer y Katrin Amontz, INM-1, Forchungcentrum Jülich

En colaboración con otros investigadores de HBP de Neurospin en Francia y la Universidad de Florencia en Italia, Axer y su equipo obtuvieron imágenes de la misma masa de tejido de un hipocampo humano utilizando varios métodos diferentes: resonancia magnética anatómica y de difusión (aMRI y dMRI), dos-[{» attribute=»»>photon fluorescence microscopy (TPFM) and 3D-PLI, respectively.

Microscopy methods like TPFM provide sub-micrometer resolution images of small brain volumes revealing microstructures of the brain’s cerebral cortex, but they have their limitations in disentangling fibers connecting distant brain regions, which build the deep white matter structures. This is even more true for electron microscopic measurements, which enable nanometre-resolved insights into a cubic millimeter of brain tissue. In contrast, dMRI can be used for tractography at the whole-brain level – visualizing white matter connections – but cannot resolve individual fibers or small tracts.

“3D-PLI serves as a bridge between micro and macro methods,” says Amunts. “This is because 3D-PLI resolves the fiber architecture at high resolution and, at the same time, allows imaging of whole-brain sections that we can then reconstruct in 3D to trace fiber connections.”

Combining dMRI, TPFM, and 3D-PLI enabled the researchers to superimpose the three modalities within the same reference space. “This integration of data was only made possible by imaging one and the same tissue sample,” explains Axer. The human hippocampus block traveled from Germany to France, back to Germany, and finally to Italy, being processed and imaged in different laboratories benefiting from the local, highly specialized equipment.

The researchers then used the Julich Brain Atlas to spatially anchor their data in an anatomical reference space. The three-dimensional atlas contains more than 250 cytoarchitectonic maps of brain areas and forms the centerpiece of the HBP’s Multilevel Human Brain Atlas. “Our brain atlas enables us to pinpoint exactly where in the brain we find these microstructures,” explains Amunts. The dataset is openly accessible via the HBP’s EBRAINS infrastructure and can be browsed in an interactive atlas viewer.

The researchers multi-scale approach combining multiple modalities at different spatial scales to unravel the human connectome is unique and provides exciting new insights into how the human brain works.

Even though the hippocampus reconstruction is a lighthouse project, there are several international efforts ongoing (or about to start) that need to be orchestrated at an open atlas level to enable the integration of multi-scale data. Amunts and Axer emphasize that this is a prerequisite for revealing the principles of connectivity within the experimentally accessible range of scales – from axons to pathways. In other words, an integrated multi-scale approach that combines micro and macro methods is necessary to describe and understand the nested organization of the human brain. This requires critical reassessment of current methodology, including tractography, the authors say.

Reference: “Scale matters: The nested human connectome” by Markus Axer and Katrin Amunts, 3 November 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abq2599