JASNOST: Hydrogel proces vytváří transparentní mozku
JASNOST procesu: rozhovor s Stanford bioengineer a psychiatr Karl Deisseroth. Délka: 3:58
“Studovat neporušené systémů s tímto druhem molekulární rozlišení a globální rozsah – být schopni vidět jemné detaily a velký obraz ve stejné době — byl hlavní nesplněné cíle v biologii, a cíl, který JASNOST začne řešit,” Deisseroth řekl.
“tento výkon chemického inženýrství slibuje transformaci způsobu, jakým studujeme anatomii mozku a jak ji nemoc mění,” řekl Thomas Insel, MD, ředitel Národního institutu duševního zdraví. “Hloubkové studium našeho nejdůležitějšího trojrozměrného orgánu již nebude omezeno dvourozměrnými metodami.”
intaktní mozek dospělých myší před a po dvoudenním procesu jasnosti. Na obrázku vpravo, jemné mozkové struktury lze slabě vidět jako oblasti rozmazání nad slovy “číslo”, “neprozkoumané”, “kontinent” a ” úseky.”
výzkum v této studii byla provedena primárně na myší mozek, ale vědci použili JASNOSTI na danio pruhované a na konzervy lidský mozek vzorky s podobnými výsledky, kterým se stanoví cestu pro budoucí studium lidských vzorků a jiných organismů.
“CLARITY slibuje revoluci v našem chápání toho, jak místní a globální změny v mozkové struktuře a činnosti se promítají do chování,” řekl Paul Frankland, PhD, vedoucí vědecký pracovník v neurovědy a duševní zdraví v Nemocnici pro Nemocné Děti Research Institute v Torontu, který nebyl zapojen do výzkumu. Franklandova kolegyně, vedoucí vědkyně Sheena Josselyn, PhD, dodala, že tento proces by mohl změnit mozek z “tajemné černé skříňky” na něco v podstatě průhledného.
nevyzpytatelné místo
hromada spletité šedé hmoty a kabeláže, která je mozkem, je složité a nevyzpytatelné místo. Neurovědci se snažil, aby plně pochopit své obvody v jejich úsilí pochopit, jak mozek funguje, a proč, někdy, to neznamená,.
Karl Deisseroth
JASNOSTI je výsledkem výzkumné úsilí v Deisseroth laboratoři extrahovat neprůhledné prvky — zejména tuky — z mozku, a přesto zachovat důležité vlastnosti zcela neporušené. Lipidy jsou mastné molekuly, které se nacházejí v mozku a těle. Zejména v mozku pomáhají vytvářet buněčné membrány a dávají mozku velkou část jeho struktury. Lipidy však představují dvojí výzvu pro biologické studium, protože způsobují, že mozek je do značné míry nepropustný jak pro chemikálie, tak pro světlo.
Neurovědci by rád, aby extrahovat lipidy odhalit mozek je v pořádku struktura bez krájení nebo krájení, ale na jeden zásadní zádrhel: odstranění těchto strukturálně důležitých molekul způsobuje, že zbývající tkáň se rozpadne.
předchozí výzkumy se místo toho zaměřily na automatizaci přístupu krájení/krájení nebo na léčbu mozku organickými molekulami, které usnadňují pronikání světla pouze, ale nikoli makromolekulárních sond. S jasností zvolil Deisserothův tým zásadně odlišný přístup.
“Jsme čerpali chemické inženýrství transformovat biologické tkáně do nového státu, který je neporušený, ale opticky průhledný a propustný pro makromolekuly,” řekl Chung, papír je první autor.
tato nová forma je vytvořena nahrazením lipidů mozku hydrogelem. Hydrogel je postaven z v mozku se v procesu koncepčně podobné zkamenění, používat to, co je zpočátku vodnatá suspenze krátký, jednotlivé molekuly známé jako hydrogel monomery. Intaktní posmrtný mozek je ponořen do hydrogelového roztoku a monomery infuzují tkáň. Pak, když “tepelně spuštěno,” nebo mírně zahřátý na tělesnou teplotu, monomery se začnou ztuhnout do dlouhých molekulárních řetězců známých jako polymery, tvořící síť v celém mozku. Tato síť drží vše pohromadě, ale je důležité, že se neváže na lipidy.
s takto uloženou tkání je tým schopen energicky a rychle extrahovat lipidy procesem zvaným elektroforéza. Zbývá 3-D, průhledný mozek se všemi jeho důležitými strukturami – neurony, axony, dendrity, synapse, proteiny, nukleové kyseliny a tak dále – neporušené a na místě.
jít věci jeden lepší
jasnost pak jde jeden lepší. Při zachování plné kontinuity neuronální struktury, PŘEHLEDNOSTI umožňuje nejen sledování jednotlivých nervových spojení na dlouhé vzdálenosti prostřednictvím mozku, ale také poskytuje způsob, jak shromáždit bohaté, molekulární údaje popisující buňka je funkce, která není možné s jinými metodami.
“mysleli Jsme si, že pokud bychom mohli odstranit lipidy nedestruktivně, mohli bychom se dostat i světlo a makromolekul proniknout hluboko do tkáně, což umožňuje nejen 3-D zobrazování, ale také 3-D molekulární analýza neporušený mozek,” říká Deisseroth, kdo má D. H. Chen Profesorem.
Pomocí fluorescenční protilátky, které jsou známé, hledat a připojit se pouze na specifické proteiny, Deisseroth tým ukázal, že může cílit na konkrétní struktury v rámci PŘEHLEDNOSTI-modified — nebo “objasnit” — myš mozku a aby tyto struktury a pouze ty struktury, světla podle osvětlení. Vědci mohou sledovat nervové obvody celým mozkem nebo hluboce prozkoumat nuance zapojení místních obvodů. Mohou vidět vztahy mezi buňkami a zkoumat subcelulární struktury. Mohou se dokonce podívat na chemické vztahy proteinových komplexů, nukleových kyselin a neurotransmiterů.
trojrozměrné vykreslování vyjasnit mozek zobrazen níže (spodní polovina). Průletové video mozku hlodavců je k dispozici zde.
“Být schopen určit molekulární strukturu různých buněk a jejich kontakty prostřednictvím protilátek barvení je základní schopnost JASNOSTI, odděleně od optické průhlednosti, která nám umožňuje vizualizovat vztahy mezi mozku komponenty v zásadně nové cesty,” říká Deisseroth, který je jedním z 15 odborníků na “dream team”, který bude mapovat cíle pro 100 milionů dolarů na výzkum mozku iniciativy oznámil 2. dubna Prezident Obama.
A v další významné schopnosti z výzkumného hlediska, vědci jsou nyní schopni destain přečištěné mozku, vyplavení fluorescenční protilátky a opakováním barvení proces znovu pomocí různých protilátek, aby prozkoumala různé molekulární cíle ve stejném mozku. Tento proces barvení/destilace se může opakovat vícekrát, autoři ukázali a různé datové sady se navzájem vyrovnaly.
otevření dveří
jasnost proto umožnila provést vysoce podrobnou, jemně strukturální analýzu neporušených mozků-dokonce i lidských tkání, které se zachovaly po mnoho let, ukázal tým. Transformace lidské mozky do transparentní-ale-stabilní vzorky s přístupem vedení a molekulární detail může přinést lepší pochopení strukturální základy funkce mozku a nemoci.
trojrozměrné zobrazení barevného hippocampus ukazuje fluorescenční-vyjádření neurony (zeleně), připojení interneurony (červená) a podpůrné gliové (modrá).
kromě okamžitého a zjevného přínosu pro neurovědu deisseroth varoval, že jasnost přeskočila naši schopnost vypořádat se s daty. “Přeměna obrovského množství dat na užitečný vhled představuje obrovské výpočetní výzvy, které bude třeba řešit. Budeme muset vyvinout vylepšené výpočetní přístupy k segmentaci obrazu, 3D registraci obrazu, automatizované trasování a získávání obrazu, ” řekl.
Opravdu, takové tlaky se zvýší, jak JASNOST by mohla začít podporovat hlubší pochopení rozsáhlých neporušené biologických systémů a orgánů, možná dokonce i celé organismy.
“zvláštního zájmu pro budoucí studium jsou intrasystem vztahy, a to nejen v mozku savců, ale také v jiných tkáních nebo onemocnění, pro jejichž plné pochopení je možné pouze při důkladné analýze jediného, neporušené systémy mohou být provedeny,” Deisseroth řekl. “Jasnost může být použitelná pro jakýkoli biologický systém a bude zajímavé sledovat, jak ji mohou použít jiná odvětví biologie.”
Mezi další spoluautory patří vysokoškolská studentka Jenelle Wallace; absolvent studentsSung-Yon Kim, Kelly Zalocusky, Joanna Matis, Aleksandra Denisin a Logan Grosenick; výzkum asistentů Sandhiya Kalyanasundaram, Julie Mirzabekov, Sally a Pak Charu Zendulka; postgraduální učenci Aaron Andalman, PhD, a Tom Davidson, PhD, bývalý vysokoškolský student Hannah Bernstein; a bývalých zaměstnanců vědec Viviana Gradinaru.
výzkum byl podpořen Národním institutem duševního zdraví (grant MH099647); Národní vědecká nadace; nadace Simons; prezident a probošt Stanfordské univerzity; nadace Wiegers, Snyder, Reeves, Gatsby a Yu; program oprav DARPA; a Burroughs Wellcome Fund.
Stanfordovo oddělení bioinženýrství také podpořilo práci. Oddělení je společně provozováno School of Engineering A School of Medicine.
