Schizofrenie, een chronische, neurologische hersenaandoening, treft miljoenen mensen over de hele wereld. Het veroorzaakt een breuk tussen iemands gedachten, gevoelens en gedrag. Symptomen zijn wanen, hallucinaties, moeite met het verwerken van gedachten en een algeheel gebrek aan motivatie. Schizofreniepatiënten hebben een hoger zelfmoordcijfer en meer gezondheidsproblemen dan de algemene bevolking, en een lagere levensverwachting.

Er is geen remedie voor schizofrenie, maar de sleutel om het effectiever te behandelen is om beter te begrijpen hoe het ontstaat. En dat betekent volgens Ryuta Mizutani, hoogleraar toegepaste biochemie aan de Tokai University in Japan, het bestuderen van de structuur van hersenweefsel. Concreet betekent het dat we de hersenweefsels van schizofreniepatiënten vergelijken met die van mensen met een goede geestelijke gezondheid, om de verschillen zo duidelijk mogelijk te zien.

“Er zijn maar een paar plekken op de wereld waar je dit onderzoek kunt doen. Zonder 3D-analyse van hersenweefsel zou dit werk niet mogelijk zijn.” — Ryuta Mizutani, professor, Tokai Universiteit

"De huidige behandeling van schizofrenie is gebaseerd op vele hypothesen waarvan we niet weten hoe we ze moeten bevestigen," zei Mizutani. "De eerste stap is om de hersenen te analyseren en te zien hoe het anders is samengesteld."

Om dat te doen, verzamelden Mizutani en zijn collega's van verschillende internationale instellingen acht kleine monsters van hersenweefsel - vier van gezonde hersenen en vier van die van schizofreniepatiënten, allemaal post-mortem verzameld - en brachten ze naar beamline 32-ID van de Advanced Photon Source (APS), een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Argonne National Laboratory van DOE.

Bij de APS gebruikte het team krachtige röntgenstralen en optica met hoge resolutie om driedimensionale beelden van die weefsels vast te leggen. (Onderzoekers verzamelden vergelijkbare beelden bij de Super Photon Ring 8-GeV [SPring-8] lichtbronfaciliteit in Japan.) De resolutie van de röntgenoptiek die bij de APS wordt gebruikt, kan oplopen tot 10 nanometer. Dat is ongeveer 700 keer kleiner dan de breedte van de gemiddelde rode bloedcel, en er zijn vijf miljoen van die cellen in een druppel bloed.

"Er zijn maar een paar plaatsen in de wereld waar je dit onderzoek kunt doen," zei Mizutani. "Zonder 3D-analyse van hersenweefsel zou dit werk niet mogelijk zijn."

Volgens Vincent De Andrade, natuurkundige in Argonne's X-ray Science Division, vormt het vastleggen van beelden met een hoge resolutie een uitdaging, aangezien de neuronen die in beeld worden gebracht centimeters lang kunnen zijn. Het neuron is de fundamentele werkeenheid van de hersenen, een cel in het zenuwstelsel die informatie doorgeeft aan andere cellen om lichaamsfuncties te controleren. Het menselijk brein heeft ongeveer 100 miljard van deze neuronen, in verschillende maten en vormen.

"Het monster moet door de röntgenstraal bewegen om de neuronen door het monster te volgen", legt De Andrade uit. "Het gezichtsveld van onze röntgenmicroscoop is ongeveer 50 micron, ongeveer de breedte van een mensenhaar, en je moet deze neuronen over enkele millimeters volgen."

Wat deze beelden lieten zien, is dat de structuren van deze neuronen bij elke schizofreniepatiënt op unieke wijze verschillen, wat volgens Mizutani het bewijs is dat de ziekte met die structuren verband houdt. Afbeeldingen van gezonde neuronen leken relatief veel op elkaar, terwijl neuronen van schizofreniepatiënten veel meer afwijkingen vertoonden, zowel van de gezonde hersenen als van elkaar.

Er is meer onderzoek nodig, zei Mizutani, om erachter te komen hoe de structuren van neuronen precies verband houden met het begin van de ziekte en om een ​​behandeling te bedenken die de effecten van schizofrenie kan verlichten. Naarmate de röntgentechnologie blijft verbeteren - de APS, bijvoorbeeld, staat gepland om een ​​enorme upgrade te ondergaan die de helderheid tot 500 keer zal verhogen - zullen ook de mogelijkheden voor neurowetenschappers toenemen.

"De APS-upgrade zorgt voor een betere gevoeligheid en resolutie voor beeldvorming, waardoor het proces van het in kaart brengen van neuronen in de hersenen sneller en nauwkeuriger wordt", aldus De Andrade. "We zouden resoluties van beter dan 10 nanometer nodig hebben om synaptische verbindingen vast te leggen, wat de heilige graal is voor een uitgebreide mapping van neuronen, en die zouden haalbaar moeten zijn met de upgrade."

De Andrade merkte ook op dat hoewel elektronenmicroscopie is gebruikt om de hersenen van kleine dieren in kaart te brengen, bijvoorbeeld fruitvliegjes, het veel tijd zou kosten om de hersenen van een groter dier, zoals een muis, in beeld te brengen, laat staan ​​een volledig dier. menselijke brein. Ultraheldere, hoogenergetische röntgenstralen zoals die bij de APS, zei hij, zouden het proces kunnen versnellen, en technologische vooruitgang zal wetenschappers helpen een completer beeld van hersenweefsel te krijgen.

Voor neurowetenschappers zoals Mizutani is het einddoel dat minder mensen lijden aan hersenziekten zoals schizofrenie.

"De verschillen in hersenstructuur tussen gezonde en schizofrene mensen moeten in verband worden gebracht met psychische stoornissen", zei hij. "We moeten een manier vinden om mensen gezond te maken."

###

Mizutani en zijn team rapporteerden hun resultaten in Vertaalpsychiatrie.

Over de geavanceerde fotonenbron

De Advanced Photon Source (APS) van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science in het Argonne National Laboratory is een van 's werelds meest productieve faciliteiten voor röntgenlichtbronnen. De APS levert zeer heldere röntgenbundels aan een diverse gemeenschap van onderzoekers op het gebied van materiaalwetenschap, scheikunde, fysica van de gecondenseerde materie, levens- en milieuwetenschappen en toegepast onderzoek. Deze röntgenstralen zijn bij uitstek geschikt voor verkenningen van materialen en biologische structuren; elementaire distributie; chemische, magnetische, elektronische toestanden; en een breed scala aan technologisch belangrijke technische systemen, van batterijen tot brandstofinjectorsprays, die allemaal de basis vormen van het economische, technologische en fysieke welzijn van onze natie. Elk jaar gebruiken meer dan 5,000 onderzoekers de APS om meer dan 2,000 publicaties te produceren met indrukwekkende ontdekkingen en meer vitale biologische eiwitstructuren op te lossen dan gebruikers van enige andere onderzoeksfaciliteit met röntgenlichtbronnen. Wetenschappers en ingenieurs van APS innoveren technologie die de kern vormt van voortschrijdende versneller- en lichtbronoperaties. Dit omvat de inbrengapparaten die extreem heldere röntgenstralen produceren die door onderzoekers worden gewaardeerd, lenzen die de röntgenstralen tot op enkele nanometers scherpstellen, instrumentatie die de manier maximaliseert waarop de röntgenstralen interageren met monsters die worden bestudeerd, en software die verzamelt en beheert de enorme hoeveelheid data die voortkomt uit ontdekkingsonderzoek bij het APS.

Dit onderzoek maakte gebruik van bronnen van de Advanced Photon Source, een Amerikaanse DOE Office of Science User Facility die wordt beheerd voor het DOE Office of Science door Argonne National Laboratory onder contractnummer DE-AC02-06CH11357.

Nationaal laboratorium van Argonne zoekt oplossingen voor dringende nationale problemen in wetenschap en technologie. Het eerste nationale laboratorium van het land, Argonne, verricht toonaangevend fundamenteel en toegepast wetenschappelijk onderzoek in vrijwel elke wetenschappelijke discipline. Argonne-onderzoekers werken nauw samen met onderzoekers van honderden bedrijven, universiteiten en federale, staats- en gemeentelijke instanties om hen te helpen hun specifieke problemen op te lossen, het wetenschappelijke leiderschap van Amerika te bevorderen en de natie voor te bereiden op een betere toekomst. Met werknemers uit meer dan 60 landen wordt Argonne beheerd door UChicago Argonne, LLC voor het Amerikaanse Department of Energy Office of Science.

Het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van energie is de grootste voorstander van fundamenteel onderzoek in de natuurwetenschappen in de Verenigde Staten en werkt aan het aanpakken van enkele van de meest urgente uitdagingen van onze tijd. Ga voor meer informatie naar https: //energie.overheid /wetenschap.