Få KLARHET: Hydrogel prosessen skaper gjennomsiktig hjernen
KLARHET prosess: intervju Med Stanford bioengineer Og psykiater Karl Deisseroth. Lengde: 3:58
“Å Studere intakte systemer med denne typen molekylær oppløsning og globalt omfang – for å kunne se de fine detaljene og det store bildet samtidig — har vært et stort unmet mål i biologi, og et mål SOM KLARHET begynner å ta opp,” Sa Deisseroth.
“denne prestasjonen av kjemisk ingeniørfag lover å forandre måten vi studerer hjernens anatomi og hvordan sykdom endrer det,” Sa Thomas Insel, MD, direktør For National Institute Of Mental Health. “Ikke lenger vil den grundige studien av vårt viktigste tredimensjonale organ være begrenset av todimensjonale metoder.”
Intakt voksen mus hjernen før og etter TO-dagers KLARHET prosessen. På bildet til høyre kan de fine hjernestrukturene ses svakt som blurriness over ordene “tall”, “uutforsket”,” kontinent “og” strekker.”
forskningen i denne studien ble utført primært på en musehjerne, men forskerne har brukt KLARHET på sebrafisk og på konserverte menneskelige hjerneprøver med lignende resultater, og etablert en vei for fremtidige studier av menneskelige prøver og andre organismer.
“CLARITY lover å revolusjonere vår forståelse av hvordan lokale og globale endringer i hjernestruktur og aktivitet oversetter til atferd,” Sa Paul Frankland, PhD, seniorforsker i nevrovitenskap og mental helse ved Hospital For Sick Children Research Institute I Toronto, som ikke var involvert i forskningen. Franklands kollega, seniorforsker Sheena Josselyn, PhD, la til at prosessen kunne slå hjernen fra “en mystisk svart boks” til noe i det vesentlige gjennomsiktig.
Et uutgrunnelig sted
haugen av innviklet grå materie og ledninger som er hjernen er et komplekst og uutgrunnelig sted. Neuroscientists har slitt for å forstå sin krets fullt ut i deres forsøk på å forstå hvordan hjernen fungerer, og hvorfor, noen ganger, gjør det ikke.
Karl Deisseroth
KLARHET er resultatet av en forskningsinnsats I Deisseroths laboratorium for å trekke ut de ugjennomsiktige elementene-spesielt lipidene – fra en hjerne og likevel holde de viktige funksjonene helt intakte. Lipider er fettmolekyler som finnes i hele hjernen og kroppen. I hjernen, spesielt, hjelper de til med å danne cellemembraner og gi hjernen mye av sin struktur. Lipider utgjør en dobbel utfordring for biologisk studie, men fordi de gjør hjernen i stor grad ugjennomtrengelig både for kjemikalier og for lys.
Neuroscientists ville ha likt å trekke ut lipidene for å avsløre hjernens fine struktur uten skiver eller snitting, men for en stor hitch: å fjerne disse strukturelt viktige molekylene får det gjenværende vevet til å falle fra hverandre.
Tidligere undersøkelser har i stedet fokusert på å automatisere slicing / snitting tilnærming, eller i behandling av hjernen med organiske molekyler som letter penetrasjonen av lys bare, men ikke makromolekylære prober. MED KLARHET har Deisseroths lag tatt en fundamentalt annen tilnærming.
” vi trakk på kjemiteknikk for å forvandle biologisk vev til en ny tilstand som er intakt, men optisk gjennomsiktig og gjennomtrengelig for makromolekyler, ” sa Chung, papirets første forfatter.
denne nye formen skapes ved å erstatte hjernens lipider med en hydrogel. Hydrogelen er bygget fra selve hjernen i en prosess konseptuelt lik petrifikasjon, ved å bruke det som i utgangspunktet er en vannaktig suspensjon av korte, individuelle molekyler kjent som hydrogelmonomerer. Den intakte, postmortemhjernen er nedsenket i hydrogeloppløsningen, og monomerene infiserer vevet. Da, når “termisk utløst” eller oppvarmet litt til omtrent kroppstemperatur, begynner monomerer å størkne inn i lange molekylære kjeder kjent som polymerer, og danner et nett i hele hjernen. Dette nettverket holder alt sammen, men viktigere, det binder seg ikke til lipidene.
med vevet shored opp på denne måten, er laget i stand til kraftig og raskt å trekke ut lipider gjennom en prosess som kalles elektroforese. Det som gjenstår er en 3d, gjennomsiktig hjerne med alle sine viktige strukturer – nevroner, axoner, dendriter, synapser, proteiner, nukleinsyrer og så videre – intakt og på plass.
Går ting en bedre
KLARHET går da en bedre. FOR å bevare den fulle kontinuiteten i nevrale strukturer, TILLATER KLARHET ikke bare sporing av individuelle nevrale forbindelser over lange avstander gjennom hjernen, men gir også en måte å samle rik, molekylær informasjon som beskriver en celles funksjon som ikke er mulig med andre metoder.
” vi trodde at hvis vi kunne fjerne lipidene ikke-destruktivt, kunne vi få både lys Og makromolekyler til å trenge dypt inn i vevet, slik at ikke bare 3d-avbildning, men også 3d-molekylær analyse av den intakte hjernen,” sa Deisseroth, som har D. H. Chen Professorat.
Ved hjelp av fluorescerende antistoffer som er kjent for å oppsøke og feste seg bare til spesifikke proteiner, Deisseroth team viste At det kan målrette spesifikke strukturer innenfor KLARHET-modifisert — eller “avklart” – mus hjernen og gjøre disse strukturene og bare de strukturene lyser opp under belysning. Forskerne kan spore nevrale kretser gjennom hele hjernen eller dypt utforske nyansene av lokale kretsløp. De kan se forholdet mellom celler og undersøke subcellulære strukturer. De kan til og med se på kjemiske forhold mellom proteinkomplekser, nukleinsyrer og nevrotransmittere.
en tredimensjonal gjengivelse av avklart hjerne avbildet nedenfra (ventral halvdel). En fly-through video av gnager hjernen er tilgjengelig her.
“Å kunne bestemme den molekylære strukturen til ulike celler og deres kontakter gjennom antistofffarging er en KJERNEKAPASITET FOR KLARHET, skilt fra den optiske gjennomsiktigheten, noe som gjør det mulig for Oss å visualisere relasjoner mellom hjernekomponenter på fundamentalt nye måter,” Sa Deisseroth, som er en av 15 eksperter på “dream team” som vil kartlegge mål for $100 millioner brain research initiative annonsert 2.April Av President Obama.
og i enda en betydelig evne fra et forskningsperspektiv, er forskere nå i stand til å ødelegge den klargjorte hjernen, spyle ut de fluorescerende antistoffene og gjenta fargeprosessen på nytt ved hjelp av forskjellige antistoffer for å utforske forskjellige molekylære mål i samme hjerne. Denne farging / destaining prosessen kan gjentas flere ganger, forfatterne viste, og de forskjellige datasettene justert med hverandre.
Åpning av døren
KLARHET har derfor gjort det mulig å utføre svært detaljert, finstrukturell analyse på intakte hjerner – selv menneskelige vev som har blitt bevart i mange år, viste teamet. Transformere menneskelige hjerner til gjennomsiktige, men stabile prøver med tilgjengelige ledninger og molekylære detaljer kan gi bedre forståelse av de strukturelle underbyggingene av hjernefunksjon og sykdom.
Tredimensjonal visning av farget hippocampus som viser fluorescerende uttrykker nevroner (grønn), koble interneurons (rød) og støtte glia (blå).
Utover den umiddelbare og tilsynelatende fordelen for nevrovitenskap, advarte Deisseroth at KLARHET har sprang vår evne til å håndtere dataene. “Å snu enorme mengder data til nyttig innsikt utgjør enorme beregningsutfordringer som må løses. Vi må utvikle forbedrede beregningsmessige tilnærminger til bildesegmentering, 3d-bilderegistrering, automatisert sporing og bildeoppkjøp, ” sa han.
faktisk vil slike trykk øke ettersom KLARHET kan begynne å støtte en dypere forståelse av store intakte biologiske systemer og organer, kanskje til og med hele organismer.
” av spesiell interesse for fremtidig studie er intrasystemrelasjoner, ikke bare i pattedyrhjernen, men også i andre vev eller sykdommer som full forståelse bare er mulig når grundig analyse av enkle, intakte systemer kan utføres, ” Sa Deisseroth. “KLARHET kan gjelde for ethvert biologisk system, og det vil være interessant å se hvordan andre grener av biologi kan sette den i bruk.”
Andre medforfattere inkluderer lavere student Jenelle Wallace; graduate studentsSung-Yon Kim, Kelly Zalocusky, Joanna Mattis, Aleksandra Denisin og Logan Grosenick; forskningsassistenter Sandhiya Kalyanasundaram, Julie Mirzabekov, Sally Pak og Charu Ramakrishnan; postdoktorale lærde Aaron Andalman, PhD, Og Tom Davidson, PhD; tidligere bachelorstudent Hannah Bernstein; og tidligere stabsforsker Viviana Gradinaru.
forskningen ble støttet Av national Institute Of Mental Health (grant MH099647); National Science Foundation; Simons Foundation; President Og Provost Av Stanford University; Dette er en av de mest kjente og mest kjente av Dem.
Stanfords Institutt for Bioteknologi støttet også arbeidet. Avdelingen drives i fellesskap Av School Of Engineering og School Of Medicine.
