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脳のMRI画像をこれまでの6,400万倍鮮明に写し出すことに成功

磁気共鳴画像法(MRI)は、X線では写りにくい水分の多い柔らかい組織を可視化する方法だ。しかし、MRIは脳腫瘍を発見するのには十分な解像度を備えているが、脳の組織を明らかにする脳の微細な部分を可視化するためには、まだ解像度が足りなかった。

アメリカの化学者Pal Laterburが初めてMRIを発見してから50年、科学者たちは数十年に渡る技術的な努力を重ね、MRIの解像度を向上させ、マウスの脳をこれまでになく鮮明に写し出すことに成功した。

テネシー大学ヘルスサイエンスセンター、ペンシルバニア大学、ピッツバーグ大学、インディアナ大学の研究者と共に、デューク大学の生体顕微鏡センターが行った成果では、これまでの6,400万倍もの高解像度が実現されている。

研究者らは、ヒトではなくマウスで実現したが、この改良型MRIは、記録的な解像度で脳全体の結合を可視化する重要な新しい方法を提供するものである。研究者らは、マウスのイメージングから得られる新たな知見は、加齢や食事、あるいはアルツハイマー病などの神経変性疾患によって脳がどのように変化するかなど、人間の状態に対する理解を深めることにつながると述べている。

「私たちはまったく異なる方法で神経変性疾患を見始めることができます。それが実現可能になったのです」と、この新しい論文の筆頭著者であり、デューク大学の放射線学、物理学、生体医工学のCharles E. Putman大学特別教授であるG. Allan Johnson博士は述べている。

Johnson氏の興奮は、長い時間をかけて得られたものだ。4月17日に『Proceedings of the National Academy of Sciences』に掲載されたこのチームの新しい研究は、Duke Center for In Vivo Microscopyでの約40年にわたる研究の集大成である。

この40年間で、Johnson氏と彼の工学部の大学院生、そしてデューク大学内外の多くの共同研究者が、多くの要素を改良し、そのすべてが組み合わさって、画期的なMRI解像度が実現されたのだ。

この偉業の達成には、これまで以上に強力な磁石(通常、臨床用MRIでは1.5~3テスラ、Johnson博士のチームで用いたものは9.4テスラ)、臨床用MRIの100倍の強度を持ち脳画像の生成を助けるグラジエントコイル、ノートパソコン約800台分の高性能コンピュータなど必要となった。

Johnson教授と彼のチームは、「徹底的にスキャン」した後、ライトシート顕微鏡と呼ばれる別の技術で画像化するために組織を送った。この補完的な技術により、パーキンソン病の進行を観察するためのドーパミン分泌細胞など、脳内の特定の細胞群にラベルを付けることができる。

そして、脳細胞を高精度に観察できるライトシートの写真を、より解剖学的に正確で、脳全体の細胞や回路を鮮明に見ることができるオリジナルのMRIスキャンにマッピングしたのだ。

このように、全脳データを組み合わせた画像によって、研究者はこれまで不可能だった脳の微細な謎を覗き見ることができるようになった。

MRI画像では、マウスの年齢とともに脳全体の結合がどのように変化するか、また、記憶に関与する鞍部などの特定の領域が、マウスの脳の他の部分よりもどのように変化するかを示している。

また、アルツハイマー病モデルマウスの神経ネットワークが著しく劣化していることを示す、虹色の脳内結合の糸を紹介する画像も公開された。

mouse brain mri imaging 1
超高性能MRIとライトシート顕微鏡を組み合わせることで、マウスの脳全体の高精細な配線図を作成することができた。 (Credit: Duke Center for In Vivo Microscopy)

MRIをさらに高性能な顕微鏡にすることで、Johnson氏らはハンチントン病やアルツハイマー病など、人間の病気のマウスモデルをより深く理解できるようになることを期待している。そしてそれは、同じようなものが人間でどのように機能したり、うまくいかなかったりするのか、よりよく理解することにつながるはずだ。

Johnson氏は、「国立老化研究所が支援する研究により、食事や薬物への適度な介入によって、動物が25%長生きできることが明らかになりました。そこで問題なのは、寿命が延びている間、彼らの脳はまだ無傷なのか、ということです。クロスワードパズルはできるのだろうか?25%長生きしても、数独はできるのだろうか?私たちは今、それを調べる能力を持っているのです。そして、そうすることで、それを人間の状態に直接反映させることができるのです」と、述べている。


論文

参考文献

研究の要旨

我々は、マウス脳の3次元磁気共鳴組織像(MRH)を、ライトシート顕微鏡(LSM)および同じ標本の3次元描画と整合させるワークフローを開発しました。まず、グラジエントエコーと拡散テンソル画像(DTI)を用いて、頭蓋骨内の脳のMRHを15μmの等方性解像度で撮影する(これは、ほとんどの前臨床MRIの解像度より1,000倍高い)。コネクトームは、5μmの超解像トラクト密度画像で生成される。脳を洗浄し、選択したタンパク質で染色し、1.8μm/pixelのLSMで画像化する。LSMデータは、ABA共通座標フレームワークから得られたラベルを用いて、参照MRH空間に登録される。その結果、50μm以上のアライメント精度を持つ高次元統合ボリューム(HiDiver)が得られた。スループットは十分に高く、HiDiverは、遺伝子変異や加齢がマウスの脳の細胞構造およびコネクトミクスに与える影響の定量的研究に使用されている。

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