Ο εγκέφαλος δεν είναι τόσο συμπαγής όσο νομίζαμε

Χρησιμοποιώντας μια καινοτόμο μέθοδο, επιστήμονες του Ομοσπονδιακού Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Λωζάννης, στην Ελβετία, καταδεικνύουν ότι ο εγκέφαλος δεν είναι τόσο συμπαγής, όπως πιστεύαμε τόσο καιρό.

Για να μελετηθεί η λεπτή δομή του εγκεφάλου, συμπεριλαμβανομένων των συνδέσεων μεταξύ των νευρώνων του και των συνάψεων, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ηλεκτρονικά μικροσκόπια. Ωστόσο, ο ιστός πρέπει πρώτα να προετοιμαστεί για αυτή τη μέθοδο απεικόνισης υψηλής μεγέθυνσης.

Αυτή η διαδικασία προκαλεί συρρίκνωση του εγκεφάλου, ως εκ τούτου οι εικόνες μπορεί να παραμορφωθούν, π.χ. δείχνει ότι οι νευρώνες είναι πολύ πιο κοντά από ό,τι πραγματικά είναι.

Οι επιστήμονες του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Λωζάννης έλυσαν το πρόβλημα χρησιμοποιώντας μια τεχνική που παγώνει γρήγορα τον εγκέφαλο, διατηρώντας την πραγματική δομή του. Το έργο δημοσιεύεται στην ηλεκτρονική έκδοση του Life.

Η συρρίκνωση του εγκεφάλου

Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια έξαρση της απεικόνισης του εγκεφάλου, με ανανεωμένο ενδιαφέρον για τεχνικές, όπως η ηλεκτρονική μικροσκοπία, η οποία μας επιτρέπει να παρατηρούμε και να μελετήσουμε την αρχιτεκτονική του εγκεφάλου με πρωτοφανείς λεπτομέρειες. Αλλά την ίδια στιγμή, έχουν επίσης αναβιώσει παλιά προβλήματα που σχετίζονται με τον τρόπο που αυτός ο λεπτός ιστός προετοιμάζεται, προκειμένου να συλλεχθούν οι εικόνες.

Τυπικά, ο εγκέφαλος έχει προετοιμάζεται με σταθεροποιητικούς παράγοντες, όπως αλδεΰδες, και στη συνέχεια περιβάλλεται, ή ενσωματώνεται σε ρητίνη. Ωστόσο, έχει γίνει γνωστό από τα μέσα της δεκαετίας του ’60, πως αυτή η διαδικασία προετοιμασίας αναγκάζει τον εγκέφαλο να συρρικνωθεί κατά τουλάχιστον 30%. Αυτό με τη σειρά του, διαστρεβλώνει την κατανόηση της ανατομίας του εγκεφάλου, π.χ. η πραγματική εγγύτητα των νευρώνων, οι δομές των αιμοφόρων αγγείων κ.α.

Ο «κατεψυγμένος» εγκέφαλος

Μια μελέτη του Graham Knott στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Λωζάννης, με επικεφαλής την Natalya Korogod και σε συνεργασία με τον Carl Petersen, χρησιμοποίησε με επιτυχία μια καινοτόμο μέθοδο, που ονομάζεται κρυοστερέωση (cryofixation), με σκοπό να αποτρέψει τη συρρίκνωση του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια της προετοιμασίας για το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Η μέθοδος, της οποίας οι ρίζες πάνε πίσω στο 1965, χρησιμοποιεί πίδακες υγρού αζώτου που παγώνουν εγκεφαλικό ιστό σε θερμοκρασία -90oC, μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου. Ο εγκεφαλικός ιστός εδώ ήταν από εγκεφαλικό φλοιό ποντικού.

Η ταχεία μέθοδος κατάψυξης είναι σε θέση να αποτρέψει το σχηματισμό κρυστάλλων νερού στον ιστό, όπως θα γινόταν σε ένα κανονικό καταψύκτη, εφαρμόζοντας παράλληλα πολύ υψηλές πιέσεις. Οι κρύσταλλοι του νερού μπορεί να βλάψουν σοβαρά τον ιστό με την θραύση των κυττάρων του. Αλλά σε αυτή την μέθοδο κατάψυξης υψηλής πίεσης, το νερό μετατρέπεται σε ένα είδος γυαλιού, διατηρώντας τις αρχικές δομές και την αρχιτεκτονική του ιστού.

Το επόμενο βήμα είναι να ενσωματωθεί ο κατεψυγμένος ιστός σε ρητίνη. Αυτό απαιτεί την αφαίρεση του νερού και την αντικατάστασή του πρώτα με ακετόνη, η οποία εξακολουθεί να είναι ένα υγρό σε χαμηλές θερμοκρασίες κρυοστερέωσης και, στη συνέχεια, σε μια περίοδο λίγων ημερών με ρητίνη.

Ο πραγματικός εγκέφαλος

Αφού ο εγκέφαλος καταψυχθεί και ενσωματωθεί, στη συνέχεια παρατηρείται και φωτογραφίζεται με τη χρήση τρισδιάστατης ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. Οι ερευνητές στη συνέχεια συνέκριναν εικόνες του εγκεφάλου που υποβλήθηκε στη διαδικασία της κρυοστερέωσης, με εκείνες που λαμβάνονται από έναν εγκέφαλο που προετοιμάζεται μόνο με χημική μέθοδο.

Η ανάλυση έδειξε ότι ο σταθεροποιημένος χημικά εγκέφαλος ήταν πολύ μικρότερος σε όγκο, γεγονός που δείχνει μια σημαντική απώλεια του εξωκυτταρικού χώρου, του χώρου δηλαδή γύρω από τους νευρώνες. Επιπλέον, τα υποστηρικτικά κύτταρα του εγκεφάλου που ονομάζονται αστροκύτταρα, φάνηκε να είναι λιγότερο συνδεδεμένα με τους νευρώνες και τα αιμοφόρα αγγεία, ακόμη και στον εγκέφαλο. Και τέλος, οι συνδέσεις μεταξύ των νευρώνων, οι συνάψεις, φάνηκαν σημαντικά ασθενέστερες στον χημικώς σταθεροποιημένο εγκέφαλο, σε σύγκριση με αυτόν που υποβλήθηκε σε κρυοστερέωση.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές συνέκριναν τις μετρήσεις του εγκεφάλου που μετρούν το χρόνο που απαιτείται για ένα μόριο να ταξιδέψει σε όλη αυτή την περιοχή του εγκεφάλου. Προς έκπληξη των ερευνητών, τα δεδομένα ταίριαζαν, προσθέτοντας ακόμη περισσότερες αποδείξεις ότι η κρυοστερέωση διατηρεί την πραγματική ανατομία του εγκεφάλου.

«Όλα αυτά μας δείχνουν ότι η κρυοστερέωση υψηλής πίεσης είναι μια πολύ ελκυστική μέθοδος για την απεικόνιση του εγκεφάλου. Την ίδια στιγμή, αμφισβητεί τις προηγούμενες προσπάθειες απεικόνισης, που ίσως θα πρέπει να επανεξεταστούν υπό το φως των νέων στοιχείων», υποστηρίζει ο Graham Knott.

Η ομάδα του έχει ως στόχο να χρησιμοποιήσει την κρυοστερέωση σε άλλα μέρη του εγκεφάλου και ακόμη και άλλων τύπων ιστών.