В прошлом году Карл Дайссерот, профессор биоинженерии, психиатрии и поведенческих наук из Стэнфорда, объявил о новом способе вглядывания в мозг, удаленном от тела, который обеспечивает захватывающий обзор его внутренних связей. С тех пор лаборатории по всему миру начали с некоторым успехом использовать технику, называемую ЯСНОСТЬ, чтобы лучше понять структуру мозга.
Однако Дейссерот сказал, что с двумя технологическими исправлениями CLARITY может получить еще более широкое распространение. Первая проблема заключалась в том, что лаборатории не были созданы для надежного выполнения процесса ЯСНОСТЬ. Во-вторых, наиболее распространенные методы микроскопии не предназначены для получения изображения всего прозрачного мозга. "С помощью CLARITY был описан ряд замечательных результатов," Деиссерот сказал, "но нам нужно было решить эти две разные проблемы, чтобы упростить использование технологии."
В документе Nature Protocols, опубликованном 19 июня, Дейссерот представил решения обоих этих узких мест. "Они преобразуют ЯСНОСТЬ, значительно упрощая общий процесс и ускоряя сбор данных," он сказал. Он и его соавторы, включая докторантов Раджу Томера и Ли Йе, а также аспиранта Брайана Сюэ, ожидают, что теперь еще больше ученых смогут воспользоваться этой техникой, чтобы лучше понять работу мозга на фундаментальном уровне, а также исследовать истоки заболеваний головного мозга.
Этот документ может быть первым, опубликованным при поддержке инициативы BRAIN в Белом доме, объявленной в прошлом году, с амбициозной целью составить карту триллионов нервных связей мозга и понять, как сигналы проходят через эти взаимосвязанные клетки, чтобы контролировать наши мысли, воспоминания и движения. и все остальное, что делает нас нами.
"Эта работа разделяет дух цели Инициативы BRAIN по созданию новых технологий для понимания работы мозга, в том числе человеческого," сказал Дейссерот, который также является аффилированным преподавателем Stanford Bio-X.
Удаление жира
Когда вы смотрите на мозг, вы видите внешнее жировое покрытие нервных клеток внутри него, которое не позволяет микроскопам снимать сложные связи между глубокими клетками мозга. Идея CLARITY заключалась в том, чтобы устранить эту жировую оболочку, сохранив при этом мозг в целости и сохранности со всей его сложной внутренней связью.
Способ, которым Деиссерот и его команда устранили жир, заключался в создании в неповрежденном мозге геля, который удерживал все структуры и белки на своих местах. Затем они использовали электрическое поле, чтобы вытащить жировой слой, растворенный в электрически заряженном детергенте, оставив после себя все структуры мозга, встроенные в твердый гель на водной основе или гидрогель. Это называется электрофоретической ЯСНОСТЬЮ.
Аспект электрического поля был проблемой для некоторых лабораторий. "Около половины людей, которые попробовали, сразу же заработали," Деиссерот сказал, "но у других были проблемы с повреждением тканей напряжением." Дейсерот сказал, что подобные вызовы нормальны при внедрении новых технологий. Когда он впервые представил оптогенетику, которая позволяет ученым контролировать отдельные нервы с помощью света, аналогичное количество лабораторий изначально не было создано для простого внедрения новой технологии и столкнулось с проблемами.
Чтобы помочь расширить использование ЯСНОСТИ, команда разработала альтернативный способ удаления жира из мозга, встроенного в гидрогель, – метод, который они называют пассивной ЯСНОСТЬЮ. Это занимает немного больше времени, но все же удаляет весь жир, намного проще и не представляет опасности для тканей. "Электрофоретическая ЯСНОСТЬ важна для случаев, когда скорость имеет решающее значение, а также для некоторых тканей," сказал Дейссерот, который также является D.ЧАС. Чен Профессор. "Но пассивная ЯСНОСТЬ – важный прорыв для сообщества, особенно для нейробиологии." Пассивная ЯСНОСТЬ не требует ничего, кроме некоторых химикатов, теплой ванны и времени.
Многие группы начали применять ЯСНОСТЬ для исследования мозга людей, страдающих такими заболеваниями, как эпилепсия или аутизм, которые могли оставить в мозгу ключи к разгадке, чтобы помочь ученым понять и, в конечном итоге, вылечить болезнь. Но ученые, в том числе Дайссерот, опасались пробовать электрофоретический CLARTY на этих ценных клинических образцах даже с очень низким риском повреждения. "Это редкий и ценный образец, подаренный вам, вы не хотите, чтобы он был поврежден или ошибкой," Деиссерот сказал. "Теперь проблема риска решена, и, кроме того, вы можете очень быстро получить данные."
Быстрая ЧЕТКОСТЬ цветного изображения
Второе достижение было связано с быстротой сбора данных. При изучении любых клеток ученые часто используют зонды, которые входят в клетку или ткань, фиксируются на определенной молекуле, а затем светятся зеленым, синим, желтым или другими цветами в ответ на определенные длины волн света. Это то, что создает красочные клеточные изображения, которые так часто встречаются в биологических исследованиях. Благодаря ЧЕТКОСТИ эти красочные структуры становятся видимыми по всему мозгу, поскольку не остается жира, который блокировал бы свет.
Но вот загвоздка. Эти датчики перестают работать или обесцвечиваются после того, как они подверглись воздействию слишком большого количества света. Это нормально, если ученый просто делает снимок небольшой клеточной структуры, на что уходит мало времени. Но чтобы получить изображение всего мозга с высоким разрешением, вся ткань залита светом на протяжении всего времени, необходимого для ее изображения по точкам. Этот подход обесцвечивает зонды до того, как можно будет получить изображение всего мозга с высоким разрешением.
Второй шаг новой статьи решает эту проблему, облегчая получение изображения всего мозга без обесцвечивания зондов. "Теперь мы можем сканировать всю плоскость за один раз вместо точки," Деиссерот сказал. "Это сэкономит вам пару порядков времени, а также эффективно доставляет свет только туда, где происходит изображение." Этот метод называется световой микроскопией и существует уже некоторое время, но ранее не имел достаточно высокого разрешения, чтобы увидеть мельчайшие детали клеточных структур. "Мы усовершенствовали традиционную световую микроскопию для ЧЕТКОСТИ и теперь можем видеть тонкие проводящие структуры глубоко в интактном мозге взрослого человека," Деиссерот сказал. Его лаборатория построила собственный микроскоп, но процедуры описаны в документе, а ключевые компоненты коммерчески доступны. Кроме того, лаборатория Дайссерота предоставляет бесплатные учебные курсы по CLARITY, созданные по образцу его курсов оптогенетики, чтобы помочь распространить методы.
Визуализация мозга в помощь солдатам
Инициатива BRAIN финансируется через несколько правительственных агентств, включая Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA), которое финансировало работу Deisseroth в рамках своей новой программы Neuro-FAST. Дейссерот сказал, что, как и Национальный институт психического здоровья (NIMH, еще один крупный спонсор новой газеты), DARPA "заинтересован в углублении нашего понимания мозговых цепей в неповрежденном и поврежденном мозге, чтобы обеспечить разработку более эффективных методов лечения." Новые методы, разработанные Дейссеротом и его командой, ускорят ЯСНОСТЬ как на человеческих, так и на животных моделях; по мере того, как ЯСНОСТЬ становится все более широко используемой, она будет продолжать помогать раскрывать, как эти внутренние контуры структурированы в нормальном и больном мозге, и, возможно, указывать на возможные методы лечения.