“透明”腦

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。又搞出來個新技術(shù)，這可能會成為形態(tài)學(xué)和神經(jīng)影像學(xué)研究者的噩夢，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CLARITY已經(jīng)開啟了神經(jīng)影像學(xué)檢查的新時代，這將在之前美國總統(tǒng)奧巴馬宣布的大腦圖譜計劃中發(fā)揮重要作用。負(fù)責(zé)制定大腦圖譜計劃實(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CLARITY技術(shù)，在保持大腦完整性的同時，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，然后對其稍微加熱。在差不多達(dá)到體溫時，上述單體開始凝聚為長分子鏈，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)胞膜和單個神經(jīng)纖維。又通過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，以便在同一個大腦中研究不同的分子目標(biāo)。研究顯示，這種染色、退色過程可以重復(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。這個過程有點(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。”

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，然后通過電子顯微鏡探測和確定連接模式。

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，可看見并識別一個較大區(qū)域的神經(jīng)元和突起。研究者稱，“一個自閉癥患者0.5mm厚的額葉組織塊，存儲在甲醛中超過 6年，我們能夠采用神經(jīng)絲蛋白和髓鞘堿性蛋白對神經(jīng)元進(jìn)行染色，并追蹤單個神經(jīng)纖維。”

Deisseroth博士說，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，“將海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用信息是一個巨大的計算挑戰(zhàn)，這是我們必須解決的。我們必須建立改良的計算方法以實(shí)現(xiàn)圖像分割、3D圖像配準(zhǔn)、自動跟蹤和圖像采集。”

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，“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)用的一個例子。”此外，研究其他組織如肺、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，“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。”（編譯自：See-Through Brain aBoon to Brain Mapping Initiative.medscape.May 23， 2013）endprint