Naukowcy „wydrukowali” fragment mózgu. Ta technologia 3D zrewolucjonizuje medycynę

Zmagasz się z analizą danych do swojej publikacji naukowej lub doktoratu? Potrzebujesz wsparcia w badaniach, tworzeniu raportów lub przygotowaniu manuskryptu do prestiżowego czasopisma? Nasz zespół ekspertów łączy wiedzę naukową z najnowszymi technologiami. Pomagamy przekuć Twoje badania w sukces. Skontaktuj się z nami i dowiedz się, jak możemy przyspieszyć Twoją karierę naukową.

Obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI) zrewolucjonizowało medycynę, pozwalając nam zaglądać do wnętrza ludzkiego ciała w sposób bezinwazyjny. Jednak jedna z jego najbardziej zaawansowanych odmian – obrazowanie dyfuzyjne (dMRI) – wciąż skrywa ogromny, niewykorzystany potencjał. dMRI pozwala nam „zobaczyć” mikrostrukturę tkanek, a w szczególności śledzić przebieg włókien nerwowych (aksonów) w mózgu. To klucz do zrozumienia, jak działa mózg, i diagnozowania chorób takich jak stwardnienie rozsiane, autyzm czy schizofrenia.

Problem w tym, że metody te są niezwykle trudne do walidacji. Jak sprawdzić, czy komputerowa rekonstrukcja połączeń w mózgu jest poprawna, skoro nie mamy „wzorca z Sevres” – znanego, fizycznego obiektu, z którym moglibyśmy porównać wyniki? Dotychczasowe próby tworzenia takich wzorców, zwanych fantomami, kończyły się niepowodzeniem. Były albo zbyt proste, by naśladować złożoność mózgu, albo ich mikrostruktura była niemożliwa do precyzyjnego kontrolowania. To hamowało postęp w całej dziedzinie.

Drukując mózg: rewolucja w technologii 3D

Międzynarodowy zespół naukowców z Wiednia, Hamburga i Lipska dokonał przełomu, który może na zawsze zmienić oblicze neuroobrazowania. Wykorzystali oni ultranowoczesną technologię druku 3D, zwaną polimeryzacją dwufotonową (2PP), aby stworzyć pierwsze na świecie fantomy, które z mikroskopową precyzją naśladują architekturę istoty białej mózgu.

Technologia 2PP to prawdziwa magia. Pozwala na tworzenie trójwymiarowych struktur z niewiarygodną rozdzielczością, rzędu setnych części grubości ludzkiego włosa. Naukowcy, po udoskonaleniu tego procesu, byli w stanie „wydrukować” obiekty, które są:

• Wystarczająco duże, by można je było badać w standardowym, klinicznym skanerze MRI o dużej mocy (7 Tesli).

• Niewiarygodnie szczegółowe, zawierające do 51 000 mikrokanałów naśladujących aksony. Każdy z tych kanałów ma przekrój zaledwie 12×12 mikrometrów – rozmiar zbliżony do największych aksonów w ludzkim mózgu.

To jak zbudowanie miniaturowego, precyzyjnego modelu fragmentu mózgu, którego budowę znamy co do mikrometra.

Dwa fantomy, które testują granice MRI

Aby zademonstrować możliwości swojej technologii, zespół stworzył dwa rodzaje fantomów, które naśladują kluczowe układy włókien nerwowych w mózgu:

1. Fantom „Kanapka” (Sandwich Phantom): Składa się z trzech warstw mikrokanałów. W warstwie górnej i dolnej kanały biegną równolegle w jednym kierunku, podczas gdy w warstwie środkowej są ułożone prostopadle. Taka struktura naśladuje obszary mózgu, gdzie duże pęczki włókien krzyżują się pod kątem prostym.

2. Fantom „Wafel” (Wafer Phantom): W tym fantomie rzędy równoległych mikrokanałów są ułożone naprzemiennie, raz wzdłuż osi X, a raz wzdłuż osi Y. W każdym najmniejszym elemencie obrazu (wokselu) znajduje się więc mieszanina włókien biegnących w dwóch prostopadłych kierunkach. To doskonały model do testowania zdolności dMRI do rozróżniania krzyżujących się włókien.

Poniższa tabela podsumowuje kluczowe cechy tych rewolucyjnych obiektów:

Wyniki: AI zdaje egzamin na „wydrukowanym mózgu”

Gdy fantomy zostały umieszczone w skanerze MRI, wyniki przerosły oczekiwania. Badania dMRI, analizowane za pomocą standardowych algorytmów (takich jak model „ball-and-stick”), perfekcyjnie odtworzyły znaną mikrostrukturę obu fantomów.

• W fantomie „Kanapka” udało się precyzyjnie zmapować trzy odrębne warstwy włókien i ich prostopadłe ułożenie.

• W fantomie „Wafel” algorytmy poprawnie zidentyfikowały obecność dwóch krzyżujących się populacji włókien w każdym wokselu.

Co więcej, zaawansowane techniki, takie jak traktografia (komputerowa rekonstrukcja przebiegu włókien), również zdały egzamin celująco, odtwarzając dokładnie taki układ połączeń, jaki został „wydrukowany”.

Co to oznacza dla przyszłości medycyny i neurobiologii?

Stworzenie tych fantomów to kamień milowy, który otwiera zupełnie nowe możliwości:

1. Walidacja metod dMRI: Po raz pierwszy mamy fizyczny „wzorzec prawdy” (ground truth), który pozwala obiektywnie testować i porównywać różne algorytmy do analizy danych dyfuzyjnych. Możemy wreszcie sprawdzić, które z nich działają najlepiej.

2. Poprawa wiarygodności badań: Dzięki walidacji, wyniki uzyskane z badań dMRI na pacjentach staną się znacznie bardziej wiarygodne. To zwiększy zaufanie do tej techniki zarówno w badaniach naukowych, jak i w diagnostyce klinicznej.

3. Nowa era w diagnozowaniu chorób psychicznych: Udoskonalone i zwalidowane mapowanie parametrów włókien nerwowych może otworzyć drogę do diagnozowania zaburzeń psychicznych (np. schizofrenii, depresji) na podstawie subtelnych zmian w mikrostrukturze istoty białej mózgu.

4. Dalszy rozwój technologii: W przyszłości możliwe będzie drukowanie jeszcze bardziej złożonych fantomów, naśladujących kręte, nieregularne ścieżki aksonów, co pozwoli na testowanie jeszcze bardziej zaawansowanych modeli dyfuzji.

To badanie to doskonały przykład synergii między inżynierią materiałową, drukiem 3D i medycyną. Pokazuje, że „drukowanie mózgu” – choć na razie w formie uproszczonych fantomów – przestało być domeną science-fiction. Stało się potężnym narzędziem, które pomoże nam lepiej zrozumieć prawdziwy mózg i skuteczniej leczyć jego choroby.