Болезнь Альцгеймера ежегодно уносит больше жизней, чем рак молочной железы и рак простаты вместе взятые, что подчеркивает важность понимания причин ее возникновения. Используя передовой метод визуализации на основе света в сочетании с машинным обучением, команда исследователей из Университета Райса изучила ткани мозга как здоровых животных, так и животных с болезнью Альцгеймера. Результаты исследования, опубликованные в журнале ACS Applied Materials and Interfaces, показывают, что химические изменения, связанные с болезнью Альцгеймера, происходят не только в амилоидных бляшках. Вместо этого такие изменения неравномерно и хаотично распространяются по всему мозгу.
Чтобы обнаружить эти едва заметные изменения, ученые применили метод гиперспектральной рамановской визуализации. Эта сложная разновидность рамановской спектроскопии использует лазер для определения уникальных химических “отпечатков” молекул в тканях.
“Традиционная рамановская спектроскопия позволяет получить одно измерение химической информации для каждого молекулярного участка. При гиперспектральной рамановской визуализации это измерение повторяется тысячи раз на всем срезе ткани, чтобы составить полную карту. В результате получается детальная картина, показывающая, как меняется химический состав в разных областях мозга”, — говорит Зиян Ван, аспирант факультета электротехники и вычислительной техники в Университете Райса, один из авторов исследования.
Ученые сканировали весь мозг, слой за слоем, собирая тысячи перекрывающихся измерений, чтобы составить молекулярные карты здоровых и пораженных тканей с высоким разрешением. Поскольку визуализация проводилась без использования меток, образцы не обрабатывались красителями, флуоресцентными белками или молекулярными метками.
“Это значит, что мы наблюдали за мозгом в его естественном виде, получая полную, неизменную картину его химического состава. Я думаю, что такой подход делает его более объективным и лучше подходит для выявления новых изменений, связанных с болезнью, которые в противном случае могли бы остаться незамеченными”.
В процессе визуализации было получено огромное количество данных, которые команда проанализировала с помощью машинного обучения (МО). Сначала они применили неконтролируемое машинное обучение, что позволило алгоритмам выявлять естественные закономерности в химических сигналах без каких-либо предварительных предположений. Эти модели сортировали ткани исключительно по их молекулярным характеристикам. Затем исследователи применили контролируемое машинное обучение, обучив модели различать образцы с болезнью Альцгеймера и без нее. Этот шаг помог определить, насколько сильно в разных областях мозга проявляются химические изменения, связанные с болезнью Альцгеймера.
“Мы обнаружили, что изменения, вызванные болезнью Альцгеймера, неравномерно распределяются по всему мозгу. В некоторых областях наблюдаются сильные химические изменения, в то время как другие затронуты в меньшей степени. Такая неравномерность помогает объяснить, почему симптомы проявляются постепенно и почему методы лечения, направленные только на одну проблему, не всегда эффективны”.
Помимо накопления белков, исследование выявило более широкие метаболические различия между здоровым мозгом и мозгом человека, страдающего болезнью Альцгеймера. Уровни холестерина и гликогена различались в разных областях мозга, причем наиболее заметные различия наблюдались в областях, отвечающих за память, в частности в гиппокампе и коре головного мозга.
“Холестерин важен для поддержания структуры клеток мозга, а гликоген служит локальным энергетическим резервом. В совокупности эти данные подтверждают идею о том, что болезнь Альцгеймера связана с более масштабными нарушениями структуры мозга и энергетического баланса, а не только с накоплением и неправильным сворачиванием белков”, — говорит Шэнси Хуанг, доцент кафедры электротехники, вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии, а также автор исследования.
Этот проект стал результатом постоянных дискуссий о новых способах изучения мозга при болезни Альцгеймера.
“Сначала мы измеряли только небольшие участки мозговой ткани. Потом я подумал: а что, если мы составим карту всего мозга и получим гораздо более полное представление о его состоянии? Потребовалось несколько этапов тестирования, проб и ошибок, прежде чем мы добились того, чтобы измерения и анализ данных хорошо дополняли друг друга”.
Когда была составлена полная химическая карта мозга, результаты не заставили себя ждать. “Появились закономерности, которые не были видны при обычной визуализации”.
Это исследование позволило составить первую подробную химическую карту мозга при болезни Альцгеймера без использования красителей и получить более полное представление об этом заболевании. Команда ученых надеется, что полученные результаты в конечном счете помогут в ранней диагностике и разработке более эффективных стратегий замедления прогрессирования болезни.
Университет Райса. Пер.: PSYCHOL-OK.RU
