明快さの取得:ハイドロゲルプロセスは、透明な脳を作成します
明快さのプロセス:スタンフォードの生物工学者と精神科医カールDeisserothとのインタビュー。 長さ: 3:58
“この種の分子分解能とグローバルなスコープで無傷のシステムを研究することは、細かい詳細と全体像を同時に見ることができるようにすることは、生物学における主要な満たされていない目標であり、明快さが対処し始める目標であった”とDeisserothは語った。
「化学工学のこの偉業は、私たちが脳の解剖学を研究する方法と、病気がそれをどのように変化させるかを変えることを約束します」と、国立精神衛生研究所のThomas Insel、MD、directorは述べています。 “もはや私たちの最も重要な三次元器官の詳細な研究は、二次元の方法によって制約されることはありません。”
無傷の成体マウスの脳は、二日間のCLARITYプロセスの前後にあります。 右の画像では、細かい脳の構造は、”数”、”未踏”、”大陸”、”伸びる”という言葉の上のぼやけた領域としてかすかに見ることができます。”
この研究の研究は主にマウスの脳で行われましたが、研究者はゼブラフィッシュと同様の結果を持つ保存された人間の脳のサンプルに明快さを
“脳の構造と活動の局所的および世界的な変化が行動にどのように変換されるかについての理解に革命をもたらすことを明確にすることを約束します”と、研究に関与していなかったトロントの病気の子供のための病院研究所の神経科学および精神衛生の上級科学者であるPaul Frankland博士は述べています。 Franklandの同僚、上級科学者Sheena Josselyn博士は、このプロセスが脳を「神秘的なブラックボックス」から本質的に透明なものに変える可能性があると付け加えた。
不可解な場所
複雑な灰白質と脳である配線の山は複雑で不可解な場所です。 神経科学者は、脳がどのように機能するかを理解するための探求の中で、その回路を完全に理解するのに苦労してきました。.
Karl Deisseroth
CLARITYは、Deisserothの研究室で、不透明な要素、特に脂質を脳から抽出し、重要な特徴を完全に無傷に保つための研究努力の結果です。 脂質は、脳と体全体に見られる脂肪分子です。 脳では、特に、それらは細胞膜を形成し、脳にその構造の多くを与えるのに役立ちます。 しかし、脂質は、脳を化学物質と光の両方に対して大部分不透過性にするため、生物学的研究のための二重の課題を提起する。
神経科学者は、スライスや切片なしで脳の微細構造を明らかにするために脂質を抽出するのが好きだっただろうが、一つの大きなヒッチのために：これらの構造的に重要な分子を除去することは、残りの組織が崩壊する原因となる。
以前の調査では、代わりにスライス/セクショニングアプローチを自動化するか、高分子プローブではなく光のみの浸透を促進する有機分子で脳を治療することに焦点を当てていました。 明確にして、Deisserothのチームは根本的に異なるアプローチを取ってきました。
「我々は、生体組織を無傷ではあるが光学的に透明で高分子に対して透過性のある新しい状態に変換するために化学工学に基づいた」と、論文の最初の著者であるChung氏は述べている。
この新しい形は、脳の脂質をヒドロゲルに置き換えることによって作成されます。 ヒドロゲルは、最初にヒドロゲルモノマーとして知られている短い、個々の分子の水っぽい懸濁液であるものを使用して、石化に概念的に類似したプロセ 無傷の死後の脳はヒドロゲル溶液に浸漬され、モノマーは組織を注入する。 その後、「熱的に誘発される」、または体温程度にわずかに加熱されると、モノマーはポリマーとして知られる長い分子鎖に凝固し始め、脳全体にメッシュを このメッシュはすべてを一緒に保持しますが、重要なことに、脂質に結合しません。
このようにして組織が支えられているため、チームは電気泳動と呼ばれるプロセスを介して脂質を活発かつ迅速に抽出することができます。 残っているのは、ニューロン、軸索、樹状突起、シナプス、タンパク質、核酸などの重要な構造のすべてを無傷で所定の位置に持つ3-D、透明な脳です。
物事を一つ良くする
明快さは、一つ良くなります。 神経構造の完全な連続性を維持する上で、明快さは、脳を介して長い距離にわたる個々の神経接続のトレースを可能にするだけでなく、他の方法では不可能な細胞の機能を記述する豊富な、分子情報を収集する方法を提供します。
“脂質を非破壊的に除去できれば、光と高分子の両方が組織の深部まで浸透し、3次元イメージングだけでなく、無傷の脳の3次元分子分析も可能になると考えた”とD.H.Chen教授を保持しているDeisserothは述べている。
特定のタンパク質のみを探し出して結合することが知られている蛍光抗体を用いて、Deisserothのチームは、CLARITY-modified—または”clearized”—マウス脳内の特定の構造をターゲ 研究者は、脳全体を通して神経回路をトレースしたり、局所回路配線のニュアンスを深く探求することができます。 彼らは細胞間の関係を見て、細胞内構造を調べることができます。 彼らは、タンパク質複合体、核酸、神経伝達物質の化学的関係を見ることさえできます。
下（腹側半分）からイメージされた清澄化された脳の三次元レンダリング。 げっ歯類の脳のフライスルービデオはここで利用可能です。
“抗体染色によって様々な細胞の分子構造とその接触を決定することは、光透過性とは別に、脳の成分間の関係を根本的に新しい方法で視覚化することを可能にする明快さの中核的な能力です」と、オバマ大統領が4月2日に発表した1億ドルの脳研究イニシアチブの目標をマッピングする「ドリームチーム」の15人の専門家の1人であるDeisseroth氏は述べています。
そして、研究の観点からさらに別の重要な能力では、研究者は今、同じ脳内の異なる分子標的を探索するために、異なる抗体を使用して蛍光抗体を この染色／脱染色プロセスは、複数回繰り返すことができ、著者らは、異なるデータセットが互いに整列していることを示した。
扉を開けると
CLARITYにより、長年保存されている人間の組織であっても、無傷の脳に対して非常に詳細で微細な構造解析を行うことが可能になった、とチームは示した。 アクセス可能な配線と分子の詳細を持つ透明ではあるが安定した標本に人間の脳を変換することは、脳機能と疾患の構造基盤の改善された理解を
蛍光を発現するニューロン（緑）、接続介在ニューロン（赤）および支持グリア（青）を示す染色された海馬の三次元図。
Deisserothは、神経科学への直接的かつ明白な利益を超えて、明快さがデータを扱う能力を飛躍的に向上させたと警告した。 “膨大な量のデータを有用な洞察に変換することは、対処する必要があります巨大な計算上の課題を提起します。 私たちは、画像セグメンテーション、3-D画像登録、自動トレース、画像取得に対する改善された計算アプローチを開発する必要があります”と彼は言いました。
確かに、そのような圧力は、明快さが大規模な無傷の生物系および器官、おそらく生物全体のより深い理解を支持し始める可能性があるため、増加す
“今後の研究にとって特に興味深いのは、哺乳類の脳だけでなく、単一の無傷のシステムの徹底的な分析を行うことができる場合にのみ完全な理解が可能な他の組織または疾患におけるシステム内の関係である”とDeisseroth氏は述べた。 “明快さは、任意の生物学的システムに適用可能であり、生物学の他の枝が使用するためにそれを置くことができる方法を見ることは興味深いだろう。”
他の共著者には、学部生のジェネル-ウォレスが含まれています; 研究助手Sandhiya Kalyanasundaram、Julie Mirzabekov、Sally Pak、Charu Ramakrishnan、ポスドク研究員Aaron Andalman、PhD、Tom Davidson、phd、元学部生のHannah Bernstein、元スタッフ科学者Viviana Gradinaru。
この研究は、国立精神衛生研究所（グラントMH099647）、国立科学財団、サイモンズ財団、スタンフォード大学の学長兼学長によって支援されました; Wiegers、Snyder、Reeves、GatsbyおよびYuの基礎;DARPA修理プログラム;およびBurroughs Wellcomeの資金。
スタンフォード大学の生物工学部門もこの作業を支援した。 工学部と医学部が共同で運営しています。
