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        “透明”腦

        2014-02-24 10:53:01郭衛(wèi)
        求知導(dǎo)刊 2014年1期
        關(guān)鍵詞:透明脂類博士

        郭衛(wèi)

        是他,就是他,Karl Deisseroth博士——光遺傳學(xué)的重要的發(fā)明人。又搞出來(lái)個(gè)新技術(shù),這可能會(huì)成為形態(tài)學(xué)和神經(jīng)影像學(xué)研究者的噩夢(mèng),或者是福音。

        一項(xiàng)發(fā)表于《自然》雜志的研究表明,腦組織切片研究的時(shí)代可能即將終結(jié)。一種新的成像技術(shù)CLARITY技術(shù)能使大腦透明,并提供完整無(wú)損的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3D圖像,包括精細(xì)回路和分子連接。

        科學(xué)家說(shuō)CLARITY已經(jīng)開啟了神經(jīng)影像學(xué)檢查的新時(shí)代,這將在之前美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布的大腦圖譜計(jì)劃中發(fā)揮重要作用。負(fù)責(zé)制定大腦圖譜計(jì)劃實(shí)施路線圖工作小組的主席斯坦福大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家William Newsome博士稱,CLARITY方法完全是令人震驚的。

        CLARITY是指清晰脂質(zhì)交換丙烯酰胺雜交精細(xì)成像/免疫染色/原位雜交相容性組織水凝膠。該技術(shù)涉及化學(xué)工程與生物工程,由斯坦福大學(xué)Karl Deisseroth博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)。Karl Deisseroth博士是一名生物工程學(xué)家和精神病學(xué)家,也是路線圖工作小組的成員。

        研究人員通過(guò)CLARITY技術(shù),在保持大腦完整性的同時(shí),抽出了大腦中的不透明物質(zhì)(脂類)。脂類在大腦中幫助形成細(xì)胞膜,并賦予大腦多種結(jié)構(gòu),不過(guò)也令化學(xué)物質(zhì)和光線難以深入大腦。

        研究人員用一種水凝膠來(lái)替換大腦中的脂類,他們將死后的完整大腦浸入水凝膠溶液,讓溶液中的單體進(jìn)入組織,然后對(duì)其稍微加熱。在差不多達(dá)到體溫時(shí),上述單體開始凝聚為長(zhǎng)分子鏈,在大腦中形成高分子網(wǎng)絡(luò)。這一網(wǎng)絡(luò)能夠支持大腦中的所有結(jié)構(gòu),但不會(huì)結(jié)合脂類。隨后,研究人員快速將脂類抽出,獲得了完整透明的3D大腦,大腦中的神經(jīng)元、軸突、樹突、突觸、蛋白、核酸等都完好地維持在原位。

        研究人員構(gòu)建了表達(dá)熒光蛋白的小鼠,并用CLARITY成像了它的整個(gè)大腦。他們用傳統(tǒng)顯微鏡展示了其中的發(fā)光信息,例如蛋白嵌入細(xì)胞膜和單個(gè)神經(jīng)纖維。又通過(guò)電鏡揭示了其中的精細(xì)結(jié)構(gòu),例如突觸。

        研究還顯示,在CLARITY處理的小鼠大腦中,熒光抗體能夠使其特異性結(jié)合的目標(biāo)發(fā)光。在這一系統(tǒng)中,人們可以追溯神經(jīng)環(huán)路,解析局部環(huán)路的細(xì)微差異,觀察細(xì)胞間的聯(lián)系和分析亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。此外,人們還可以利用這一技術(shù),探尋蛋白復(fù)合體、核酸和神經(jīng)遞質(zhì)之間的化學(xué)關(guān)聯(lián)。

        這項(xiàng)技術(shù)的另一個(gè)重要亮點(diǎn)在于,人們可以去除已染色的熒光抗體,并用其他抗體進(jìn)行重新染色,以便在同一個(gè)大腦中研究不同的分子目標(biāo)。研究顯示,這種染色、退色過(guò)程可以重復(fù)多次。

        Deisseroth博士稱,“CLARITY技

        術(shù)使生物組織轉(zhuǎn)化成可在完好無(wú)損狀態(tài)下研究的形式。CLARITY提供的是一種不需分解組織的方式。這個(gè)過(guò)程有點(diǎn)類似于石化或化石化,但關(guān)鍵的是基本結(jié)構(gòu)、形狀甚至是突觸水平的精細(xì)結(jié)構(gòu)多保持在原位?!?/p>

        與機(jī)械切片方法不同,CLARITY可保留結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,可跟蹤遠(yuǎn)處的神經(jīng)突起,對(duì)追蹤到的神經(jīng)元提供3D和局部形態(tài)學(xué)信息。聯(lián)合CLARITY和光學(xué)顯微鏡可以觀察和追蹤全腦組織中熒光標(biāo)記的神經(jīng)元和突起,然后通過(guò)電子顯微鏡探測(cè)和確定連接模式。

        斯坦福團(tuán)隊(duì)將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于小鼠全腦,能夠觀察從皮質(zhì)外層到深層結(jié)構(gòu)例如丘腦的神經(jīng)元。他們可以追蹤神經(jīng)元和神經(jīng)回路,觀察蛋白復(fù)合物、核酸和神經(jīng)遞質(zhì)之間的關(guān)系。

        該小組還將該技術(shù)用于人類大腦標(biāo)本,可看見并識(shí)別一個(gè)較大區(qū)域的神經(jīng)元和突起。研究者稱,“一個(gè)自閉癥患者0.5mm厚的額葉組織塊,存儲(chǔ)在甲醛中超過(guò) 6年,我們能夠采用神經(jīng)絲蛋白和髓鞘堿性蛋白對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行染色,并追蹤單個(gè)神經(jīng)纖維。”

        Deisseroth博士說(shuō),CLARITY已經(jīng)

        超越了科學(xué)家處理所生成數(shù)據(jù)的能力。他說(shuō),“將海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用信息是一個(gè)巨大的計(jì)算挑戰(zhàn),這是我們必須解決的。我們必須建立改良的計(jì)算方法以實(shí)現(xiàn)圖像分割、3D圖像配準(zhǔn)、自動(dòng)跟蹤和圖像采集?!?/p>

        CLARITY除了用于大腦,在其他領(lǐng)域還大有用武之地,它可以適用于任何生物系統(tǒng)。Deisseroth博士說(shuō),“研究癌癥的人員已經(jīng)與我們?nèi)〉昧寺?lián)系,想要將CLARITY技術(shù)用于活檢樣本,以了解人類癌癥不同階段細(xì)胞的確切體積或3D排布。這就是CLARITY自然應(yīng)用的一個(gè)例子?!贝送猓芯科渌M織如肺、肌肉或心臟正常或異常功能和生理學(xué),成熟組織發(fā)育和功能以及組織修復(fù)的學(xué)者已經(jīng)開始使用CLARITY技術(shù)。Deisseroth博士補(bǔ)充說(shuō),“讓我們拭目以待CLARITY技術(shù)在其他生物學(xué)分支中的應(yīng)用,這將是很有趣的?!保ň幾g自:See-Through Brain aBoon to Brain Mapping Initiative.medscape.May 23, 2013)endprint

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