logo

Пользовательского поиска

Saturday 22nd of September 2018

Новый метод 3-D визуализации: CLARITY делает мозг мыши практически прозрачным

Печать E-mail
Рейтинг пользователей: / 1
ХудшийЛучший 
Актуальные темы - Нанотехнологии в медицине и биологии
Автор: Administrator   
14.04.2013 14:55

 

Трехмерное изображение окрашенного гиппокампа, показывающее экспрессирующие флуоресцентные маркеры нейроны (зеленые), вставочные нейроны (красные) и клетки глии (синие).

Трехмерное изображение окрашенного гиппокампа, показывающее экспрессирующие флуоресцентные маркеры нейроны (зеленые), вставочные нейроны (красные) и клетки глии (синие). (Фото: Deisseroth lab)


Объединив нейробиологию и химическую инженерию, ученые Стэнфордского университета (Stanford University) разработали процесс, который делает прозрачным мозг мыши. Посмертный мозг остается интактным – его не разрезают на тонкие слои или каким-либо другим образом, – и вся его трехмерная многокомпонентность тонких нервных связей и молекулярных структур остается в полной неприкосновенности и может изучаться как с помощью видимого света, так и химических веществ.


Только что разработанная технология, названная CLARITY (Ясность), возвещает новую эру в визуализации целых органов, способную в корне изменить наше понимание наиболее важного, но наименее понимаемого из всех органов – головного мозга.

Процесс, лежащий в основе нового метода визуализации, описывается в статье, опубликованной он-лайн в журнале Nature биоинженером и психиатром Карлом Дейссеротом (Karl Deisseroth), MD, PhD, руководившим мультидисциплинарной группой ученых.

«Изучение интактной системы с таким молекулярным разрешением и в глобальном масштабе – чтобы одновременно видеть мелкие детали и всю картину в целом – остается одной из основных неудовлетворенных потребностей биологии и целью, приближение к которой начинается с CLARITY», - комментирует свою разработку сам доктор Дейссерот.

«Это достижение химической инженерии обещает преобразить то, как мы изучаем анатомию мозга и то, как ее изменяет болезнь», - говорит Томас Инзель (Thomas Insel), MD, директор Национального института психического здоровья (National Institute of Mental Health). «Углубленное изучение нашего самого важного трехмерного органа больше не будет ограничено двумерными методами».

Интактный мозг взрослой мыши до и после двухдневного процесса CLARITY. На снимке справа тонкие структуры мозга едва различимы как размытые области над словами «number», «unexplored», «continent» и «stretches».

 

Интактный мозг взрослой мыши до и после двухдневного процесса CLARITY. На снимке справа тонкие структуры мозга едва различимы как размытые области над словами «number», «unexplored», «continent» и «stretches». (Фото: med.stanford.edu)

 

 

 

В ходе данного исследования эксперименты преимущественно проводились на мозге мышей, но ученые получили аналогичные результаты, протестировав CLARITY и на рыбках данио и на образцах человеческого мозга, проторяя путь к будущему изучению мозга человека и других организмов.

«CLARITY обещает революционизировать наше понимание того, как локальные и глобальные изменения в структуре и активности мозга транслируются в поведение», - говорит Пол Фрэнкленд (Paul Frankland), PhD, старший научный сотрудник Научно-исследовательского института Госпиталя для больных детей (Hospital for Sick Children Research Institute) в Торонто, не принимавший участия в данном исследовании. Коллега доктора Фрэнкленда Шина Джослин (Sheena Josselyn), PhD, добавляет, что этот процесс может превратить мозг из «таинственного черного ящика» в нечто практически прозрачное.

Технология CLARITY – результат работы лаборатории Дейссерота по экстрагированию из мозга непрозрачных элементов, в частности, липидов. Перед учеными стояла задача, сделать это таким образом, чтобы полностью сохранить все важные функции мозга. Липиды – молекулы жиров, широко распространенные по всему мозгу и по всему организму в целом. В мозге они участвуют в образовании клеточных мембран и играют значительную роль в организации структуры органа. Однако в биологических исследованиях липиды – серьезная помеха, так как делают мозг в значительной степени непроницаемым как для химических веществ, так и для света.

Нейробиологам очень хотелось бы «избавиться» от липидов, чтобы получить возможность «проявить» тонкую структуру мозга без его секционирования, но на этом пути ученые всегда сталкивались с серьезнейшим препятствием: без структурно важных молекул липидов оставшиеся мозговые ткани просто распадаются на части.

Поэтому в фокусе предыдущих работ оставалась автоматизация процесса получения тончайших срезов или обработка мозга органическими молекулами, которые, однако, облегчают проникновение в мозг света, но не макромолекулярных зондов. Разработанная группой доктора Дейссерота технология CLARITY основана на принципиально ином подходе.

Карл Дейссерот (Karl Deisseroth), MD, PhD.

 

Карл Дейссерот (Karl Deisseroth), MD, PhD. (Фото: med.stanford.edu)

 

 

 

«Чтобы сделать биологическую ткань оптически прозрачной и проницаемой для макромолекул и не затронуть при этом ее структуру, мы обратились к химической инженерии», - говорит первый автор статьи Кванхунь Чун (Kwanghun Chung), PhD.

Новое состояние мозговой ткани создается заменой липидов гидрогелем. Гидрогель образуется внутри самого мозга, в процессе концептуально похожем на окаменение, из водной суспензии отдельных коротких молекул – мономеров. Интактный посмертный мозг погружается в раствор гидрогеля, и мономеры диффундируют в его ткань. Затем в действие вступает «термический триггер»: незначительное нагревание примерно до температуры тела заставляет мономеры образовывать длинные молекулярные цепи – полимеры, составляющие сеть, охватывающую весь мозг. Эта сеть не только позволяет сохранить структурную целостность органа, но и – и это самое главное – не взаимодействует с липидами.

Полимерный сетчатый каркас позволяет быстро извлечь липиды с помощью электрофореза. В результате ученые получают в свое распоряжение трехмерный прозрачный мозг со всеми его важными структурами – нейронами, аксонами, дендритами, синапсами, белками, нуклеиновыми кислотами и т.д., – неповрежденными и не изменившими своей локализации.

Полностью сохраняя целостность нейронных структур, CLARITY не только позволяет отслеживать отдельные нервные связи в объеме практически всего мозга, но и предоставляет возможность получать богатую молекулярная информация, описывающую функции отдельной клетки, что невозможно при использовании других методов.

«Мы подумали, что, если бы нам удалось удалить липиды, ничего при этом не разрушая, мы добились бы проникновения света и макромолекул глубоко в ткани, что позволило бы не только получать 3-D изображения, но и проводить 3-D молекулярный анализ интактного мозга», - говорит профессор Дейссерот.

Трехмерное изображение «очищенного» методом CLARITY мозга (вид снизу; вентральная половина).

 

Трехмерное изображение «очищенного» методом CLARITY мозга (вид снизу; вентральная половина). (Фото: med.stanford.edu)

 

 

 

Используя флуоресцентные антитела, которые, как известно, находят и связываются только с определенными белками, группа Дейссерота показала, что антитела могут взаимодействовать со специфическими структурами-мишенями в CLARITY-модифицированном мозге мыши и заставляют их – и только их – светиться под воздействием света. Ученые могут отслеживать нейронные сети всего мозга в целом или в нюансах изучать локальные подсистемы. Они могут видеть межклеточные связи и изучать субклеточные структуры и даже химическое взаимодействие белковых комплексов, нуклеиновых кислот и нейромедиаторов.

«Помимо оптической прозрачности, позволяющей визуализировать связи между компонентами мозга принципиально новым способом, одной из основных возможностей, предоставляемой CLARITY, является возможность определения молекулярной структуры различных клеток и их контактов посредством окрашивания антителами», - говорит доктор Дейссерот.

CLARITY предоставляет и еще одну важную возможность: теперь ученые могут деколоризировать модифицированный мозг, очистив его от флуоресцентных антител, и повторить процесс окрашивания с использованием других антител для изучения других молекулярных мишеней. Этот процесс окрашивания/деколоризации можно повторять несколько раз.

Таким образом, технология CLARITY позволяет проводить детальный тонкоструктурный анализ интактного мозга – даже человеческих тканей, хранившихся в течение многих лет. Получение из человеческого мозга прозрачного, но стабильного образец с доступными для изучения нервными связями и молекулярными деталями будет способствовать более глубокому пониманию структурных основ функционирования и болезней мозга.

 

 

При всей непосредственной и очевидной пользе для нейробиологии технология CLARITY, ставит перед учеными много новых задач, так как объем получаемых с ее помощью данных превосходит сегодняшние возможности обработки информации. «Получение полезной информации из больших массивов данных сопряжено с огромными вычислительными проблемами, которые придется решать. Нам нужно будет усовершенствовать вычислительные подходы к сегментации изображений, регистрации 3-D изображений, автоматизированному отслеживанию и отбору изображений», - поясняет и предупреждает доктор Дейссерот.

Несомненно, по мере того, как CLARITY будет способствовать все более глубокому пониманию крупномасштабных интактных биологических систем и органов, возможно, даже целых организмов, сложность этих задач будет только возрастать.

«Особый интерес для будущих исследований представляют внутрисистемные связи не только в головном мозге млекопитающих, но и в других тканях, а также при заболеваниях, полное понимание которых возможно, только если может быть проведен тщательный анализ отдельных интактных систем», - говорит Дейссерот. «Технология CLARITY приложима к любой биологической системе, и будет интересно посмотреть, как ее можно использовать в других отраслях биологии».

 

 

По материалам

Getting CLARITY: Hydrogel process developed at Stanford creates transparent brain

 

Аннотация к статье Getting CLARITY: Hydrogel process developed at Stanford creates transparent brain

 

© «Новый метод 3-D визуализации: CLARITY делает мозг мыши практически прозрачным». Полная или частичная перепечатка материала разрешается при обязательной незакрытой от индексации, незапрещенной для следования робота активной гиперссылке на данную страницу сайта LifeSciencesToday.

 

 

 

 

Еще об исследованиях доктора Дейссерота

Ученые научились стимулировать мышечные сокращения у мышей с помощью оптогенетики

 

 

 

 

Related Articles:
 

Vinaora Visitors Counter

mod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_counter
mod_vvisit_counterToday150
mod_vvisit_counterYesterday2222
mod_vvisit_counterThis week11819
mod_vvisit_counterLast week6312
mod_vvisit_counterThis month25458
mod_vvisit_counterLast month26517
mod_vvisit_counterAll days4115864

We have: 41 guests, 10 bots online
Your IP: 54.92.164.184
 , 
Today: Сен 22, 2018

RSS

Новое на LST

Работает на Joomla!. Valid XHTML and CSS.