명확성 얻기:하이드로겔 과정은 투명한 뇌를 만듭니다
명확성 과정:스탠포드 생명공학자이자 정신과 의사 칼 데이세로스와의 인터뷰. 길이: 3:58
“이러한 종류의 분자 분해능과 세계적인 범위를 가진 온전한 시스템을 연구하는 것은—미세한 세부 사항과 큰 그림을 동시에 볼 수 있도록-생물학에서 충족되지 않은 주요 목표였으며,명확성이 해결되기 시작하는 목표였습니다.
“이 화학 공학의 위업은 뇌의 해부학을 연구하는 방식과 질병이 어떻게 변화 하는지를 변화시킬 것을 약속합니다.”라고 국립 정신 건강 연구소의 토마스 인셀은 말했다. “더 이상 우리의 가장 중요한 3 차원 기관에 대한 심층적 인 연구는 2 차원 방법에 의해 제한되지 않을 것입니다.”
2 일간의 선명도 과정 전후의 손상되지 않은 성인 마우스 뇌. 오른쪽 이미지에서 미세한 뇌 구조는”숫자”,”탐험되지 않은”,”대륙”및”뻗기”라는 단어 위의 흐릿한 영역으로 희미하게 볼 수 있습니다.”
이 연구의 연구는 주로 마우스 뇌에서 수행되었지만 연구자들은 제브라 피쉬와 유사한 결과를 가진 보존 된 인간 뇌 샘플에 대한 명확성을 사용하여 인간 샘플 및 기타 유기체에 대한 향후 연구를위한 경로를 수립했습니다.
“선명도는 뇌 구조와 활동의 지역 및 글로벌 변화가 행동으로 번역하는 방법에 대한 우리의 이해에 혁명을 약속,”폴 프랭클랜드,박사,연구에 참여하지 않은 토론토 아픈 어린이 연구소 병원에서 신경 과학 및 정신 건강의 수석 과학자는 말했다. 프랭클랜드의 동료,수석 과학자 쉬나 조 셀린,박사,과정은 본질적으로 투명 무언가로”신비한 블랙 박스”에서 뇌를 켤 수 있다고 덧붙였다.
불가사의 한 장소
뒤얽힌 회색 물질과 뇌의 배선의 마운드는 복잡하고 불가사의 한 장소입니다. 신경 과학자들은 완전히 뇌가 어떻게 작동하는지 이해하기 위해 자신의 탐구의 회로를 이해하기 위해 노력,왜,때때로,그것은하지 않습니다.
칼 데이세로스
선명도는 뇌에서 불투명 한 요소,특히 지질을 추출하면서도 중요한 특징을 완전히 그대로 유지하려는 데이세로스의 실험실에서 연구 한 결과입니다. 지질은 뇌와 신체 전체에서 발견되는 지방 분자입니다. 특히 뇌에서는 세포막을 형성하고 뇌에 그 구조의 대부분을 제공합니다. 지질은 화학 물질과 빛에 모두 뇌를 크게 불 투과성하기 때문에,그러나,생물학적 연구에 대한 이중 도전 포즈.
신경과학자들은 지질을 추출하여 쪼개거나 절편하지 않고 뇌의 미세 구조를 밝혀내는 것을 좋아했을 것이지만,한 가지 주요 장애:이러한 구조적으로 중요한 분자를 제거하면 나머지 조직이 붕괴됩니다.
사전 조사 대신 슬라이스/절편 접근 자동화 또는 빛만,하지만 하지 고분자 프로브의 침투를 촉진 하는 유기 분자와 뇌 치료에 초점을 맞추고 있다. 분명히 디세로스의 팀은 근본적으로 다른 접근 방식을 취했습니다.
“우리는 생체 조직을 손상되지 않았지만 광학적으로 투명하고 거대 분자에 투과 할 수있는 새로운 상태로 변형시키기 위해 화학 공학을 채택했다”고 논문의 첫 번째 저자 정은 말했다.
이 새로운 형태는 뇌의 지질을 하이드로 겔로 대체함으로써 생성됩니다. 하이드로 겔은 초기에 하이드로 겔 단량체로 알려진 짧은 개별 분자의 물 현탁액 무엇을 사용하여,석화와 개념적으로 유사한 과정에서 뇌 자체 내에서 내장되어 있습니다. 그대로,사후 뇌는 하이드로 겔 용액에 침지,및 단량체는 조직을 주입. “열적으로 트리거”또는 체온에 대해 약간 가열 할 때 그런 다음,단량체는 뇌 전체에 메쉬를 형성,고분자로 알려진 긴 분자 사슬로 응고하기 시작합니다. 이 메쉬는 모든 것을 함께 유지하지만 중요한 것은 지질에 결합하지 않는다는 것입니다.
이런 식으로 조직이 굳어지면서 팀은 전기 영동이라는 과정을 통해 지질을 활발하고 빠르게 추출 할 수 있습니다. 남은 것은 뉴런,축삭,수상 돌기,시냅스,단백질,핵산 등 모든 중요한 구조를 가진 3 차원 투명한 뇌입니다.
한 가지 더 나아가는 것
선명도는 한 가지 더 나아집니다. 신경 구조의 전체 연속성을 보존,선명도 뿐만 아니라 뇌를 통해 긴 거리에 걸쳐 개별 신경 연결의 추적을 허용 하지만 또한 다른 방법으로 불가능 한 세포의 기능을 설명 하는 풍부한,분자 정보를 수집 하는 방법을 제공 합니다.
“우리는 우리가 비파괴 지질을 제거 할 수 있다면,우리는뿐만 아니라 3 차원 영상뿐만 아니라,손상되지 않은 뇌의 3 차원 분자 분석을 허용,조직 깊숙이 침투 빛과 고분자를 모두 얻을 수있을 것이라고 생각,”디 에이치 첸 교수 보유 디세 로스는 말했다.
디세로스의 팀은 특정 단백질만을 찾아 부착하는 것으로 알려진 형광 항체를 사용하여,투명도 수정 또는”명확한”마우스 뇌 내의 특정 구조를 표적으로 삼아 그 구조와 그 구조 만 조명 아래에서 밝게 만들 수 있음을 보여주었습니다. 연구자들은 뇌 전체를 통해 신경 회로를 추적하거나 지역 회로 배선의 뉘앙스를 깊이 탐구 할 수 있습니다. 그들은 세포 사이의 관계를보고 세포 하 구조를 조사 할 수 있습니다. 그들은 심지어 단백질 복합체,핵산 및 신경 전달 물질의 화학적 관계를 볼 수 있습니다.
아래(복부 반)에서 이미징 된 명확한 뇌의 3 차원 렌더링. 설치류 뇌의 플라이 스루 비디오는 여기에서 확인할 수 있습니다.
“항체 염색을 통해 다양한 세포와 접촉의 분자 구조를 결정할 수 있다는 것은 우리가 근본적으로 새로운 방식으로 뇌 구성 요소 간의 관계를 시각화 할 수있는 광학 투명성과는 별개로 명확성의 핵심 기능입니다.”오바마 대통령이 4 월 2 일에 발표 한 1 억 달러의 뇌 연구 이니셔티브의 목표를 매핑 할”드림 팀”의 15 전문가 중 한 명인 디세 로스는 말했다.
그리고 연구 관점에서 또 다른 중요한 기능에서,연구자들은 이제 형광 항체를 내뿜고 동일한 뇌에서 다른 분자 표적을 탐색하기 위해 다른 항체를 사용하여 염색 과정을 새롭게 반복하면서 명확한 뇌를 제거 할 수 있습니다. 이 염색/탈 염색 과정은 여러 번 반복 될 수 있으며,저자는 보여 주었고 서로 다른 데이터 세트가 서로 정렬되었습니다.
문 열기
따라서 선명도는 손상되지 않은 뇌—심지어 수년 동안 보존 된 인간 조직에 대해 매우 상세하고 미세한 구조 분석을 수행 할 수있게 해주었다. 접근 가능한 배선 및 분자 세부 투명 하지만 안정적인 표본으로 인간의 두뇌를 변형 뇌 기능 및 질병의 구조적 토대의 향상 된 이해를 얻을 수 있습니다.
형광 표현 뉴런(녹색),연결 뉴런(빨간색)및지지 아교(파란색)를 보여주는 스테인드 해마의 3 차원 도면입니다.
신경과학에 대한 즉각적이고 명백한 이익 외에도,데이세로스는 명확성이 데이터를 다루는 우리의 능력을 뛰어 넘었다 고 경고했다. “방대한 양의 데이터를 유용한 통찰력으로 전환하면 해결해야 할 엄청난 컴퓨팅 문제가 발생합니다. 우리는 이미지 세분화,3 차원 이미지 등록,자동화 된 추적 및 이미지 획득에 대한 향상된 계산 접근법을 개발해야 할 것”이라고 그는 말했다.
사실,그러한 압력은 명확성이 대규모의 손상되지 않은 생물학적 시스템과 기관,심지어 전체 유기체에 대한 더 깊은 이해를 뒷받침하기 시작할 수 있기 때문에 증가 할 것이다.
“미래의 연구에 대한 특별한 관심은 포유류의 뇌뿐만 아니라 다른 조직이나 질병에서도 시스템 내 관계이며,단일 손상되지 않은 시스템에 대한 철저한 분석이 수행 될 때만 완전한 이해가 가능하다”고 데이세로스는 말했다. “선명도는 모든 생물학적 시스템에 적용 할 수 있으며,생물학의 다른 지점이 그것을 어떻게 사용할 수 있는지 보는 것은 흥미로울 것입니다.”
다른 공동 저자는 학부 학생 제넬 월리스를 포함; 대학원생 김성연,켈리 잘로쿠스키,조안나 매티스,알렉산드라 데니신,로건 그로세닉;연구조교 샌드히야 칼야나순다람,줄리 미르자베코프,샐리 박,차루 라마크리슈난;박사후 학자 아론 안달만 박사,톰 데이비슨 박사;전 학부생 한나 번스타인;전 직원 과학자 비비아나 그라디나루.
이 연구는 국립 정신 건강 연구소(그랜트 099647);국립 과학 재단;시몬스 재단;스탠포드 대학 총장 겸 학장; 위거,스나이더,리브스,개츠비 및 유 재단;다르 파 수리 프로그램;그리고 버로우즈 웰컴 기금.
스탠포드의 생명공학부도 이 작업을 지원했다. 이 부서는 공학 학교와 의학 학교가 공동으로 운영합니다.
