Optiskt system för kvantitativ 3D-avbildning av hela hjärnor
- Diarienummer
- ITM17-0152
- Start- och slutdatum
- 190101-221231
- Beviljat belopp
- 7 975 068 kr
- Förvaltande organisation
- Lund University
- Forskningsområde
- Bioteknik, medicinsk teknik och teknik för livsvetenskaperna
Summary
Avbildning av hjärnor är fundamental för utveckling av nya behandlingar mot neurodegenerativa och neuropsykiatriska sjukdomar. Framsteg inom vävnadsklarning(eng. tissue clearing) har gjort det möjligt att göra hjärnor semitransparenta, så att synligt ljus kan penetrera vävnaden och excitera olika fluorescerande molekylmarkörer. Trots detta genombrott lider Light Sheet Fluorescent Microscopy - den senaste tekniken för 3D-avbildning av klarnade hjärnor - av flera begränsningar som påverkar resultatet negativt: bildoskärpa, multipel ljusspridning, inhomogen belysning och attenuerande fenomen. På grund av detta är avbildningsmetoden intrinsiskt kvalitativ, vilket leder till feltolkning av data, icke-reproducerbarhet av resultat samt att jämförande studier omöjliggörs. Syftet med detta förslag är att konstruera ett specialdesignat makro- och mikroskop för att överkomma dessa begränsningar. Instrumentet kommer att baseras på teknologin strukturerad belysning som kan: 1) korrigera för alla avbildningsartefakter 2) producera kvantitativa 3D-rekonstruktioner av hela hjärnan 3) tillhandahålla information på samma nivå som vävnadsklarning 4) tillåter högupplöst avbildning. Arbetsplanen kommer att bestå i att utforma och konstruera instrumentet, utveckla avancerade bildbehandlingsalgoritmer samt testa instrumentet på klarnade hjärnvävnadsprover, inklusive mänskliga post-mortem –prover. En välfungerande prototyp av instrumentet förväntas vara klar vid projektets slut.
Populärvetenskaplig beskrivning
Neurodegenerative (e.g. Alzheimer’s and Parkinson’s diseases) and neuropsychiatric (e.g. schizophrenia, depression, etc) diseases constitute a major health problem. In addition, traumatic brain injuries caused by traffic or sport accidents reach ~240/100 000 people, with no existing effective treatments to date. The ability to develop new treatments and especially those that have the potential to alter the course of disease and retain the affected persons active and independent in their daily life, is seriously hampered by lack of our understanding on how the brain is wired and how it responds to therapeutic interventions. To understand brain functions and their response to various therapeutic treatments, it is urgently needed to provide 3D images of their complete inner structure with very high level of details. The traditional method to explore a neural structure at a molecular level consists in cutting the brain tissue into thin slices and images those slices under a microscope. To reconstruct the complete structure in 3D one need to add piece by piece each imaged sample. This approach is very time-demanding requiring months of work. In addition, the 3D reconstruction is rarely satisfactory and the process ultimately destroys the original tissue sample. Recently, a technology called “brain clearing” has allowed to render brains of dead animals semi-transparent. Thanks to this technology, light can now penetrate inside the brain making its structure, which was initially invisible, visible. This has opened up the new possibility for 3D imaging by means of visible light. However, the current 3D images are affected by a number of errors and artifacts, such as image blurs and effects due to light attenuation, ultimately resulting to wrong 3D reconstructions. In this project we intend to use a novel optical technique, originally co-invented and developed by the applicant, to correct for all those errors and to provide true 3D images of brain samples. To this end, a novel instrument will be designed, constructed and tested for real world applications; where not only whole mouse and rats brains, but also pieces of human brains, will be analyzed in 3D.