科学家发明新技术可使老鼠大脑变透明(图)

2013-04-12 10:44:08  来源:新浪环球地理

通过“CLARITY”变形技术,小鼠的大脑(左)可以变成透明,但仍然完好的状态(右)。

  通过“CLARITY”变形技术,小鼠的大脑(左)可以变成透明,但仍然完好的状态(右)

CLARITY技术实现了完整的小鼠大脑成像

  CLARITY技术实现了完整的小鼠大脑成像

透明小鼠的大脑图像,显示了海马区域的特征

  透明小鼠的大脑图像,显示了海马区域的特征

  在好莱坞电影《隐形人》里面,主角格里芬在自己身上进行了神秘的实验,使自己变成了隐形人;而在漫画《神奇四侠》中,隐形女因为突然遭受宇宙射线的辐射而意外得到超能力,能控制光波使自己和他人隐形。现在,在斯坦福大学,一项名为“CLARITY”的新技术却能使老鼠的大脑变得透明。

  老鼠是非常常见的生物学实验动物,但科学家在研究它们不透明的大脑时却感到十分困扰。如果你要在大脑中寻找某种蛋白质,如淀粉样β蛋白(引起阿尔茨海默症的蛋白)的位置,我们很容易就可以把荧光分子接到蛋白质上——这一过程成为免疫标记——但由于大脑是不透明的,你就必须将它切成很薄的切片,然后才能观察这些发光的标记,最后将这些切片上的信息在电脑里重新组合。

  如果能发明一项使大脑变透明的技术,以上这些繁琐的问题就可以迎刃而解,而这也正是 Kwanghun Chung所做到的。他与斯坦福大学卡尔·戴瑟罗特(Karl Deisseroth)博士领导的科学小组合作,研制出了一种名为“CLARITY”的新技术。该技术不仅能使大脑变得透明,更重要的是,它能保证大脑中最重要的组成部分保持在原位。每一个神经元、蛋白质、脱氧核糖核酸(DNA)链以及化学信号物质都锁定在原来的位置,做了标记的分子如抗体或荧光标记等都能轻松地进行检测。

  一开始,Chung利用甲醛和丙烯酰胺混合溶液来保存一个分离的冷藏大脑标本。甲醛将大脑中大部分的分子如蛋白质和DNA等与丙烯酰胺连接起来,当加热到体温时就变成一个硬化的透明胶体。然后,Chung给大脑标本通上一股电流,将没有连接到胶体上的东西除去。整个过程有点像用铅笔绘制一个场景,然后把边缘擦去。

  经过这番处理,我们就得到了一个透明的老鼠大脑。它包括了每一个细胞的内容物,却去掉了细胞的轮廓。它之所以透明,是因为去除了能散射并反射光线的脂类。这些脂类也起着屏障的作用,去除之后,我们就可以往透明的大脑里注入标记分子。“你可以对整个组织进行拍摄,然后再重建为三维模式,”Chung说,“而不需要去做切片。”我们可以使大脑中某一类型的神经元发出黄绿色的荧光,然后以大脑整体的角度观察神经元的位置,而不必再用不透明的切片进行重组。

  这里还有另一张透明的小鼠大脑图像。你可以看到海马区域的特征,该区域与学习、记忆和空间导航能力有关。每一种颜色代表着一种连接在大脑分子上的标记。“CLARITY技术使免疫标记和大批量成像成为可能,或许将取代超薄切片,”麻省理工学院的Sebastian Seung说,“从大脑中获得的信息很大部分来自染色标记。”

  与常规的染色-切片方法相比,CLARITY技术节省了时间和精力,其获得的结果也更清晰,因为在对大脑进行切片的时候,难免会对科学家想要研究的组织造成损伤。这项技术也提供了新的可能性。在此之前,如果你在大脑里注入一个标记,你必须将标本解剖才能获得结果。如今,科学家可以在“透明化”的大脑上增加更多的标记。如果有了某些有趣的进展,你还可以继续在同样的完整大脑上进行实验。

  “这是一项可以使神经科学研究大幅加速的创新,”人类脑计划(HBP)的负责人亨利·马克拉姆(Henry Markram)说,“这一新技术可以提供整个大脑在所有水平上的图像,将为我们获得许多关键的数据提供新的路径。”

  不过,CLARITY技术也有一些缺点。据Chung称,最主要的缺陷是该技术并不容易掌握。其中,用电流去除脂类的步骤是最难的,Chung甚至专门打造了一个装置来实现。他说:“在实验中我烧坏了数百个大脑标本,才最终获得成功。”其他实验室或许也要经历同样的阶段,不过现在Chung已经把他的实验细节放到了网上,任何人都可以来复制这一过程。

  将标记分子注入大脑也需要相当长的时间。目前唯一的方法是让这些分子自己扩散,即把大脑泡在充满标记分子的组织液中,使之渗透进去。一个小小的小鼠大脑,可能需要数月时间才能完成染色标记。因此,在体积更大的人类大脑或猴子大脑上使用该技术并不现实。Chung正在研究加速这一过程。

  大脑仅仅是个开始,CLARITY技术能够在任何组织或器官上适用,它能使肝脏、心脏和肺等器官像大脑一样变得透明。Chung现在正组建自己的实验室,或许在不久的未来,我们就可以看到CLARITY技术有更广泛的应用。有关该技术的成果发表在4月10日的《自然》(Nature)杂志上。(原文作者Ed Yong,任天编译)

关键字: 生物实验 医学前沿
责任编辑: 豆豆
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