麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的科学家们使用一种创新的显微镜方法观察了新生神经元如何在雷特综合征的高级人脑组织模型中难以到达其适当位置，从而对患者大脑中观察到的发育缺陷产生了新的见解可能会出现毁灭性的紊乱。
Rett综合征的特征是严重的智力残疾和社会行为受损，是由基因MECP2的突变引起的。为了深入了解这种突变如何影响人类大脑发育的早期阶段，麻省理工学院脑与认知科学系牛顿神经科学教授MrrigankaSur实验室的研究人员使用细胞培养了称为大脑类器官或迷你脑的3D细胞培养物。来自具有MECP2突变的人，并将它们与没有突变的其他相同培养物进行比较。然后，由博士后MuratYildirim领导的团队使用称为三次谐波产生(THG)三光子显微镜的先进成像技术检查了每种类型的小脑的发展。
THG是Yildirim在Sur实验室与麻省理工学院机械工程教授PeterSo合作的先驱，它可以在无需添加任何化学物质来标记细胞的情况下，对活的完整组织进行非常高分辨率的成像。Yildirim说，发表在eLife上的这项新研究是第一个使用THG对类器官进行成像的研究，使它们几乎不受干扰。以前的类器官成像研究需要使用无法在整个3D组织中成像的技术，或者需要杀死培养物的方法：要么将它们切成薄片，要么对它们进行化学清除和标记。
三光子显微镜使用激光，但Yildirim和So定制设计了实验室的显微镜，使其对组织施加的功率不超过猫玩具激光指示器(小于5毫瓦)。
“你应该确保你没有以任何不利的方式改变或影响神经元生理，”Yildirim说。“你真的应该保持一切完好无损，并确保你没有携带可能造成破坏的外部物品。这就是我们对电源(和化学标签)如此谨慎的原因。”
即使在低功率下，它们也能获得足够的信号，以实现固定和活类器官的无标记、完整成像。为了验证他们将他们的THG图像与通过更传统的化学标记方法制作的图像进行了比较。
THG系统使他们能够跟踪新生神经元的迁移，因为它们从小脑(称为脑室)的开放空间周围的边缘移动到与大脑皮层直接相似的外边缘。他们发现，与没有MECP2突变的微型大脑中相同细胞类型表现出的直线运动更快相比，模拟Rett综合征的微型大脑中的新生神经元移动缓慢且蜿蜒曲折。苏尔说，这种迁移缺陷的后果与包括他实验室在内的科学家们所假设的雷特综合征胎儿的情况一致。
麻省理工学院西蒙斯社会大脑中心主任苏尔说：“我们从死后大脑和大脑成像方法中了解到，雷特综合征的大脑发育过程中出现了问题，但要弄清楚是什么以及为什么会出现异常困难令人惊讶。”“这种方法使我们能够直接可视化关键贡献者。”
Yildirim说，THG对没有标签的组织进行成像，因为它对材料的折射率变化非常敏感。因此，它解决了生物结构之间的界限，例如血管、细胞膜和细胞外空间。由于神经形状在发育过程中发生变化，因此该团队还能够清楚地看到脑室区(新生神经元出现的脑室周围区域)和皮质板(成熟神经元进入的区域)之间的界限。解决各种心室并将它们分割成不同的区域也很容易。
这些特性使研究人员能够看到，在Rett综合征类器官中，脑室更大、数量更多，而脑室区域——神经元出生的脑室周围的边缘——更薄。在活的类器官中，他们能够在几天内跟踪一些向皮层移动的神经元，每20分钟拍摄一张新照片，就像真实发育中的大脑中的神经元也试图这样做一样。他们发现，Rett综合征神经元的速度只有非突变神经元的三分之二左右。Rett神经元的路径也明显更加摆动。这两个差异加起来意味着雷特细胞几乎没有达到一半。
“我们现在想知道MECP2如何影响影响神经元迁移的基因和分子，”Sur说。“通过筛选Rett综合征类器官，我们有了一些很好的猜测，我们渴望对其进行测试。”Yildirim将于9月在克利夫兰诊所的勒纳研究所(ClevelandClinic'sLernerResearchInstitute)开设自己的实验室，担任助理教授，他说他根据研究结果提出了新的问题。他想在类器官发育的后期进行成像，以跟踪蜿蜒迁移的后果。他还想了解更多关于特定细胞类型是否难以迁移的更多信息，这可能会改变皮层回路的工作方式。
Yildirim还表示，他希望继续推进THG三光子显微技术，他认为THG三光子显微技术在人类细粒度成像方面具有潜力。这对人们来说可能是一个重要的优势，尤其是成像方法可以深入活组织而不需要人工标签。
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