ИИ помогает в анализе всей сосудистой сети мозга

Сочетая передовые методы микроскопии и искусственного интеллекта, исследователи восстанавливают всю сосудистую сеть мозга мыши до мельчайших деталей.

На изображении мозг мыши – взятый с помощью флуоресцентной микроскопии с использованием «очистки ткани» – метод, который впервые сделал видимыми одновременно большие и маленькие сосуды головного мозга. Изображение предоставлено Ertürk Lab / ISD.

Заболевания головного мозга часто связаны с сосудистыми изменениями в нем. Теперь ученые из Helmholtz Zentrum München, Университетской клиники LMU в Мюнхене и Технического университета Мюнхена придумали методику визуализации структур всех кровеносных сосудов головного мозга – вплоть до самых тонких капилляров – включая любые патологические изменения. Они использовали технику, основанную на сочетании биохимических методов и искусственного интеллекта, для захвата всей сосудистой сети мозга мыши.

Изменения в кровеносных сосудах являются отличительной чертой многочисленных нарушений головного мозга – от черепно-мозговой травмы до инсульта. Даже такие болезни, как болезнь Альцгеймера, показывают изменения в тонких капиллярах. Короче говоря, анализ кровеносных сосудов является ключом к пониманию как нормальной, так и патологической функции мозга. «Теперь мы стали гораздо ближе к достижению этой цели», – объясняет Али Эртюрк, директор Института тканевой инженерии и регенеративной медицины при Helmholtz Zentrum München и главный исследователь в Институте исследований инсульта и деменции при Университетской клинике LMU Мюнхена.

Делать органы прозрачными

В качестве первого шага команде Эртюрка удалось визуализировать сосудистую систему мозга мыши с помощью флуоресцентной микроскопии высокого разрешения без необходимости разрезать образцы на небольшие срезы. Для этого они усовершенствовали технику очистки тканей, при которой биологические ткани обрабатывают специальными красителями, чтобы сделать их прозрачными для флуоресцентной микроскопии. «Раньше эту технику можно было использовать только для сканирования больших сосудов головного мозга», – говорит Михаил Ивилинов Тодоров, докторант, обучающийся при Эртюрке.

Поэтому мюнхенские ученые приняли новый подход к сочетанию двух красителей. «Это дало нам отличные снимки сосудистой сети мозга, включая капилляры», – добавляет биолог.

Сосудистая сеть захвачена с помощью искусственного интеллекта

Исследователи из команды под руководством Бьёрна Мензе, профессора машинного обучения в области биомедицинской визуализации в Техническом университете Мюнхена, использовали ИИ для реконструкции всей сосудистой сети мозга вплоть до мельчайших деталей. Такая реконструкция дает больше, чем просто изображения – она ​​также позволяет проводить количественный анализ сосудистых структур. «Например, мы можем статистически записывать диаметры различных кровеносных сосудов или их бифуркаций для разных областей мозга», – говорит Йоханнес Паецольд, докторант в группе Мензе.

«За последние несколько лет мы разработали алгоритм глубокого обучения, который специализируется на обнаружении кровеносных сосудов на медицинских изображениях», – объясняет Мензе. «Это был первый раз, когда мы применили его ко всему мозгу». Алгоритм был способен надежно различать кровеносные сосуды и другие ткани, даже если некоторые области на исходных флуоресцентных изображениях не были хорошо освещены, а некоторые детали были искажены из-за отражения света или других ошибок.

Понимание и диагностика заболеваний мозга

Михаил Ивилинов Тодоров планирует использовать статистические данные для изучения сосудистых изменений, вызванных инсультом, в то время как Бьерн Менце изучает глобальные структуры сосудистой системы, чтобы понять, например, роль анатомических различий в нарушениях мозга.

Преимущества для пациента

Этот метод также может быть использован в повседневной клинической практике: «С нашей системой мы, вероятно, сможем с большей точностью анализировать мелкие образцы ткани из опухолей человека», – утверждает Эртюрк. Раковые ткани пронизаны кровеносными сосудами, и анализ их структуры помогает в диагностировании опухоли. «Это может оказать оптимизирующее влияние на лечение», добавляет Эртюрк. Биолог также планирует использовать новый метод в производстве человеческих органов на 3D-принтере. Чтобы это произошло, знание точной сосудистой структуры органа – помимо всего прочего – будет необходимо.

doi: 10.1038 / s41592-020-0792-1

Вас также может заинтересовать:

Исследователи обнаружили в мозге ранее недооцененную систему нейромедиаторов

Глиальные клетки нервной системы участвуют в восприятии боли