Forskare vid Rice University säger att de har skapat den första kompletta, märkesfria molekylära atlassen över en Alzheimers hjärna i en djurmodell, genom att kombinera hyperspektral Raman-bildtagning med maskininlärning för att kartlägga kemiska förändringar som uppstår ojämnt över hjärnregioner och sträcker sig bortom amyloidplack.
Forskare vid Rice University rapporterar att de undersökte hjärnvävnad från både friska djur och djur med Alzheimers sjukdom för att skapa en märkesfri molekylär atlas över hjärnan. För att göra det använde teamet hyperspektral Raman-bildtagning, en laserbaserad metod som detekterar molekylernas kemiska ”fingeravtryck”. Eftersom tillvägagångssättet är märkesfritt behandlades inte vävnadsproverna med färger, fluorescerande proteiner eller molekylära taggar, sade forskarna. ”Traditionell Ramanspektroskopi tar en mätning av kemisk information per molekylär plats”, sade Ziyang Wang, doktorand i elektro- och datorteknik vid Rice och försteförfattare till studien. ”Hyperspektral Raman-bildtagning upprepar denna mätning tusentals gånger över en hel vävnadsskiva för att bygga en fullständig karta. Resultatet är en detaljerad bild som visar hur kemisk sammansättning varierar över olika regioner i hjärnan.” Forskarna sade att de kartlade hela hjärnor skiva för skiva, och samlade tusentals överlappande spektra för att generera högupplösta molekylära kartor över frisk och sjuk vävnad. För att analysera den stora volymen bilddata tillämpade teamet maskininlärningsmetoder, först med oövervakade metoder för att identifiera mönster i molekylära signaler och sedan övervakade modeller tränade på kända Alzheimers- och icke-Alzheimersprover för att bedöma hur starkt olika hjärnregioner återspeglade Alzheimersrelaterad kemi. ”Vi fann att förändringarna som orsakas av Alzheimers sjukdom inte sprids jämnt över hjärnan”, sade Wang. ”Vissa regioner visar starka kemiska förändringar, medan andra påverkas mindre. Detta ojämna mönster hjälper till att förklara varför symtomen uppträder gradvis och varför behandlingar som fokuserar på bara ett problem har haft begränsad framgång.” Enligt forskarna tyder resultaten på att Alzheimersrelaterade kemiska förändringar inte är begränsade till amyloidplack och inkluderar bredare metaboliska skillnader. De rapporterade att kolesterol- och glykogenhalter varierade över regioner, med de största kontrasterna i minnesrelaterade områden inklusive hippocampus och cortex. ”Kolesterol är viktigt för att upprätthålla hjärncellers struktur, och glykogen fungerar som en lokal energireserv”, sade Shengxi Huang, associerad professor vid Rice och korresponderande författare till studien. ”Tillsammans stöder dessa fynd idén att Alzheimer involverar bredare störningar i hjärnstruktur och energibalans, inte bara proteinansamling och felveckning.” Studien publicerades i ACS Applied Materials and Interfaces. Forskningen stöddes av National Science Foundation, National Institutes of Health och Welch Foundation, enligt Rice Universitys pressmeddelande. Wang sade att arbetet började med mätningar från små områden av hjärnvävnad och senare utvidgades till helhjärnsmappning efter flera omgångar av testning för att integrera mätningarna och analysen.
