2013年4月22日

进入大脑

CLARITY提供的3D视图显示了小鼠大脑记忆中枢或海马的厚片。它揭示了几种不同类型的细胞:投射神经元(绿色),连接中神经元(红色)和支持细胞层或神经胶质细胞(蓝色)。传统的2D方法要求将脑组织切成薄片,从而牺牲了分析彼此之间这种完整组件的能力。清晰度允许在同一大脑中重复进行分子和细胞成分的这种分型。资料来源:斯坦福大学的Karl Deisseroth

研究人员开发了一种技术,可以将大脑的3-D结构保持到分子水平。这项成就可以前所未有地大规模研究大脑的内部运作。

试图了解大脑的精细结构和连接的科学家们面临着权衡的问题。为了获得深埋的结构并获得足够高的分辨率来研究细胞,分子和基因,他们不得不将脑组织切成极薄的部分。这会使组织变形。该方法还使得很难解决有关脑部布线和电路的更广泛的问题。

斯坦福大学的一个由Dr. Dr.领导的团队。 Kwanghun Chung和Karl Deisseroth的目标是将人的大脑组织转变成稳定,完整和可访问的形式,可用于结构和分子研究。他们发现,构成细胞膜的脂肪或脂质会阻挡化学探针和光,这是一个机遇。他们开始用透明,可渗透的东西代替脂质,这些东西也可以将其他所有物质固定在原位。他们的工作部分由NIH主任奖和NIH国家心理健康研究所(NIMH)资助。

该团队首先注入了一种包含将分子连接在一起的化合物的混合物。加热后,混合物形成透明的多孔凝胶(“水凝胶”),将大脑组织固定在适当的位置。在这一点上,不仅分子在组织内相​​互连接;而且水凝胶还与生物分子相连,包括蛋白质,核酸和小分子。

通过施加柔和的电场将脂质从该结构中去除。与凝胶没有任何联系的脂质会从组织中移出,剩下的交联分子则保持完整。结果是大脑进行了分析。该方法称为“透明脂质交换的解剖学刚性成像/免疫染色兼容组织水凝胶”(CLARITY),已在线描述于 性质 在2013年4月10日。

研究人员表明,在一系列先前存在问题的技术挑战中,CLARITY的性能优于传统方法。科学家能够查看经过基因工程改造以表达荧光蛋白的小鼠的整个“澄清”大脑。他们表明,抗体和其他探针可以很容易地穿过澄清的大脑,以标记特定的分子和细胞结构,例如嵌入细胞膜和单个神经纤维中的蛋白质。

可以轻松地从清晰的大脑中添加和移除探针,从而可以使用不同的探针进行多轮分析。此外,研究人员表明,他们随后可以用电子显微镜分析澄清的脑组织,以解决超细结构。

科学家使用CLARITY分析自闭症患者的死后大脑。即使大脑已经保存了6年,研究人员仍可以追踪到单个神经纤维和细胞。

美国国立卫生研究院主任弗朗西斯·科林斯博士说:“清晰度有可能在不失去大规模电路视野的情况下向患有脑疾病的人揭示大脑的精细细节。该方法也可能用于研究其他器官。

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参考文献:  性质。 2013年4月10日。doi:10.1038 / nature12107。 [Epub提前发行]。 PMID:23575631。

资金: NIH主任的“变革性研究奖”计划; NIH的国家心理健康研究所(NIMH),国家的药物滥用研究所(NIDA)和国家的普通医学科学研究所(NIGMS); NSF,斯坦福大学西蒙斯基金会,DARPA;威格斯,斯奈德,里夫斯,盖茨比和于基金会。 Burroughs惠康基金会,三星奖学金和Helen Hay Whitney基金会。