ИИ и лазерная визуализация раскрыли скрытые химические изменения в мозге при болезни Альцгеймера

Исследователи из Университета Райса создали первую комплексную молекулярную карту мозга при болезни Альцгеймера на животной модели без использования маркеров. Работа, опубликованная в журнале ACS Applied Materials and Interfaces, показывает, что химические изменения, связанные с болезнью, не ограничиваются амилоидными бляшками, а имеют сложную и неравномерную картину по всему мозгу.

Для обнаружения этих тонких сдвигов учёные применили гиперспектральную рамановскую визуализацию. Этот метод использует лазер для обнаружения уникальных химических «отпечатков» молекул в ткани.

Традиционная рамановская спектроскопия делает одно измерение химической информации на молекулярном участке, — пояснил аспирант Циян Ван. — Гиперспектральная рамановская визуализация повторяет это измерение тысячи раз по всему срезу ткани, чтобы построить полную карту. В результате мы получаем детальную картину того, как химический состав варьируется в разных областях мозга.

Поскольку визуализация проводилась без маркеров, образцы не обрабатывались красителями или флуоресцентными белками, что позволило увидеть мозг в его естественном состоянии.

Огромные массивы данных были проанализированы с помощью машинного обучения. Сначала использовалось обучение без учителя для выявления естественных паттернов, а затем — с учителем, чтобы отличить образцы с болезнью Альцгеймера от здоровых.

Мы обнаружили, что изменения, вызванные болезнью Альцгеймера, распределены по мозгу неравномерно, — сказал Ван. — В одних областях наблюдаются сильные химические изменения, в других — менее выраженные. Эта неравномерность помогает объяснить, почему симптомы появляются постепенно и почему методы лечения, сосредоточенные лишь на одной проблеме, имеют ограниченный успех.

Исследование выявило не только накопление белков, но и более широкие метаболические различия. Уровни холестерина и гликогена, критически важных для структуры клеток и энергетического баланса, варьировались, причём наиболее драматичные контрасты наблюдались в областях, ответственных за память, — гиппокампе и коре.

Вместе эти данные подтверждают идею, что болезнь Альцгеймера связана с более широкими нарушениями в структуре мозга и энергетическом балансе, а не только с накоплением и неправильным сворачиванием белков, — добавил соавтор исследования Шэнси Хуан.

Учёные надеются, что их работа, поддержанная Национальным научным фондом и Национальными институтами здравоохранения США, в конечном итоге поможет в более ранней диагностике и разработке более эффективных стратегий замедления прогрессирования болезни.