Если вы хотите ощутить стремительность прогресса, обратитесь к нейрофизиологии. В этой области вчерашняя фантастика быстро становится реальностью. Американский суперпроект по изучению работы мозга BRAIN еще толком не стартовал, а серьезные прорывы в этом направлении происходят один за другим. Чтобы следить за структурой и работой больших групп нейронов в живом организме, нужны принципиально новые инструменты и методы. На этой неделе вышли сразу две работы, приближающие нас к этой цели.
Ученые давно мечтают увидеть, как соединены отдельные клетки внутри целого мозга, как по ним идет импульс и распределяются активные вещества. Это помогло бы понять суть тяжелых заболеваний вроде аутизма или болезни Альцгеймера и найти ключ к их лечению.
Внутри мозга, даже такого небольшого, как мышиный, вы найдете непролазные джунгли из клеток и их отростков, которые так тонки и разветвлены, что проследить путь любого из них можно только с помощью специальных красителей. До последнего времени для этого требовалось нашинковать препарат мозга и затем по срезам реконструировать траекторию отдельных отростков и связей. Новый метод, описанный в последнем номере Nature, позволяет увидеть объемную и яркую картину расположения отдельных нейронов в целом мозге. Для этого ученые придумали, как сделать его прозрачным.
Светонепроницаемой ткань мозга делают жиры. Чтобы удалить их, ученые сначала пропитали мышиный мозг акриламидным гелем, который при застывании закрепил на своих местах все важные компоненты. После этого его на несколько дней поместили в постоянное электрическое поле. Под воздействием электрического тока жиры постепенно "вытекли" из мозга, потому что не были связаны с веществом геля. В результате получился образец, внутри которого можно со всех сторон рассмотреть любые мелкие детали, помеченные красителями или светящимися белками.
В принципе, придавать прозрачность ткани мозга умели и раньше. В частности, в России уже несколько лет действует проект "Прозрачный мозг", над которым трудятся сотрудники Курчатовского НБИКС-центра и НИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина РАМН. Прозрачный мозг мыши демонстрировали Дмитрию Медведеву в бытность того президентом. Нейрофизиологи из Стэнфорда достигли прогресса сразу по трем параметрам: сократили время процедуры, увеличили глубину окраски и добились лучшего сохранения флуоресцентных белков внутри клеток мозга.
“Они сделали то, что раньше никому не удавалось”, – говорит Ольга Ефимова, сотрудница отдела нейронаук НБИК-центра и соавтор проекта "Прозрачный мозг". Она рассказала мне, что при данной технологии прокрасить мозговые ткани на достаточную глубину непросто. В рамках российского проекта тоже просветляли и прокрашивали мышиный мозг и получали изображение активности ранних генов после обучения.
Работа, опубликованная в Nature, дает ученым эффективный инструмент для изучения мозга, у которого есть только один недостаток, но серьезный: мы видим застывшее состояние клеток в какой-то выбранный момент. Чтобы проследить их активность на протяжении долгого времени и в разных ситуациях, придется взаимодействовать с живым мозгом.
Увы, его не сделаешь прозрачным, зато другая команда нейрофизиологов также на этой неделе опубликовала работу, в которой они выборочно включали и отключали нейроны в живом мозге с помощью света.
Для этого на поверхности интересующих клеток ученые разместили светочувствительные белки (а ученые умеют это делать с помощью генов). Вспышка света заставляет нужные нейроны разряжаться, никак не влияя на работу остальных. Так можно изучать роль разных групп клеток в поведении или при развитии заболеваний. И важнейшей проблемой в этом случае является доставка света в глубокие слои мозга.
Инженеры из США и Кореи представили в журнале Science разработанные ими плоские "иглы", на поверхности которых закреплены крошечные светодиоды и сенсоры. С помощью такой иглы можно аккуратно поместить в нужную область мозга источники света, датчики температуры и микроэлектроды. Игла затем вынимается из мозга, а в ткани остаются лишь датчики и светодиоды на гибкой и ультратонкой (несколько нанометров) подложке, по которой передается энергия для их работы. Это внушительный прогресс, если учесть, что размер светодиодов удалось сократить в тысячу раз, а нужда в оптоволоконном кабеле, ограничивающем движения животного, вовсе отпала.
Один из авторов публикации, Майкл Бручас из Университета Вашингтона, рассказал мне, что они уже пробуют это сделать. "Связь между входящими и исходящими сигналами конкретного региона мозга очень интересна для нашей лаборатории, – сказал Бручас, – особенно в стрессовом поведении, тревожных и депрессоподобных состояниях".
Другой автор работы, Джон Роджерс из Университета Иллинойса, говорит, что в будущем можно будет отказаться и от подложки, оставив внутри ткани только микроэлектронику. Это прямо перекликается с задачами проекта BRAIN, для которого дальнейшее уменьшение размеров устройств критически важно. Теперь, обладая этими новыми методами, ученые смогут исследовать мозг гораздо подробнее. Уже в самом ближайшем будущем появятся первые результаты поразительных опытов. Однако наверняка на смену этим инструментам придут еще более мощные, и ждать этого также придется недолго.
Ученые давно мечтают увидеть, как соединены отдельные клетки внутри целого мозга, как по ним идет импульс и распределяются активные вещества. Это помогло бы понять суть тяжелых заболеваний вроде аутизма или болезни Альцгеймера и найти ключ к их лечению.
Внутри мозга, даже такого небольшого, как мышиный, вы найдете непролазные джунгли из клеток и их отростков, которые так тонки и разветвлены, что проследить путь любого из них можно только с помощью специальных красителей. До последнего времени для этого требовалось нашинковать препарат мозга и затем по срезам реконструировать траекторию отдельных отростков и связей. Новый метод, описанный в последнем номере Nature, позволяет увидеть объемную и яркую картину расположения отдельных нейронов в целом мозге. Для этого ученые придумали, как сделать его прозрачным.
Supplementary Figure 1. CLARITY preserves GFP and TdTomato signals. (a) 3D rendering of a 1mm-thick Thy1-EGFP M line mouse brain block processed by CLARITY (Bregma -1.6 ->-2.6) showing distribution of EGFP expressing neurons and projections. Scale bar, 1m
В журнале Nature ученые из Стэнфордского университета опубликовали фотографии прозрачного мозга, в котором нейронные сети можно рассматривать как пузырьки в янтаре. В статье описывается способ обработки ткани, когда клетки остаются целыми, но делаются прозрачными и доступными для прокрашивания специальным пигментом.Светонепроницаемой ткань мозга делают жиры. Чтобы удалить их, ученые сначала пропитали мышиный мозг акриламидным гелем, который при застывании закрепил на своих местах все важные компоненты. После этого его на несколько дней поместили в постоянное электрическое поле. Под воздействием электрического тока жиры постепенно "вытекли" из мозга, потому что не были связаны с веществом геля. В результате получился образец, внутри которого можно со всех сторон рассмотреть любые мелкие детали, помеченные красителями или светящимися белками.
В принципе, придавать прозрачность ткани мозга умели и раньше. В частности, в России уже несколько лет действует проект "Прозрачный мозг", над которым трудятся сотрудники Курчатовского НБИКС-центра и НИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина РАМН. Прозрачный мозг мыши демонстрировали Дмитрию Медведеву в бытность того президентом. Нейрофизиологи из Стэнфорда достигли прогресса сразу по трем параметрам: сократили время процедуры, увеличили глубину окраски и добились лучшего сохранения флуоресцентных белков внутри клеток мозга.
“Они сделали то, что раньше никому не удавалось”, – говорит Ольга Ефимова, сотрудница отдела нейронаук НБИК-центра и соавтор проекта "Прозрачный мозг". Она рассказала мне, что при данной технологии прокрасить мозговые ткани на достаточную глубину непросто. В рамках российского проекта тоже просветляли и прокрашивали мышиный мозг и получали изображение активности ранних генов после обучения.
Before and afert CLARITY
“Только это был мозг мышонка (толщиной 3 мм), а не взрослой мыши. Именно со взрослыми животными есть проблема проницаемости клеточных мембран, у молодых животных и эмбрионов этого нет, – сказала Ефимова. – Они молодцы, что прокрасили целый мозг взрослой мыши”. Кроме того, авторы нового метода впервые показали, что можно делать обратимое окрашивание: покрасил – отмыл – покрасил другими антителами. Это будет очень полезно при многоцветном окрашивании и исследовании близкорасположенных клеток. Самое потрясающее, что эта техника позволяет вымывать жиры, но сохранять на месте все важные молекулы, такие как белки и РНК.Работа, опубликованная в Nature, дает ученым эффективный инструмент для изучения мозга, у которого есть только один недостаток, но серьезный: мы видим застывшее состояние клеток в какой-то выбранный момент. Чтобы проследить их активность на протяжении долгого времени и в разных ситуациях, придется взаимодействовать с живым мозгом.
Увы, его не сделаешь прозрачным, зато другая команда нейрофизиологов также на этой неделе опубликовала работу, в которой они выборочно включали и отключали нейроны в живом мозге с помощью света.
Для этого на поверхности интересующих клеток ученые разместили светочувствительные белки (а ученые умеют это делать с помощью генов). Вспышка света заставляет нужные нейроны разряжаться, никак не влияя на работу остальных. Так можно изучать роль разных групп клеток в поведении или при развитии заболеваний. И важнейшей проблемой в этом случае является доставка света в глубокие слои мозга.
Инженеры из США и Кореи представили в журнале Science разработанные ими плоские "иглы", на поверхности которых закреплены крошечные светодиоды и сенсоры. С помощью такой иглы можно аккуратно поместить в нужную область мозга источники света, датчики температуры и микроэлектроды. Игла затем вынимается из мозга, а в ткани остаются лишь датчики и светодиоды на гибкой и ультратонкой (несколько нанометров) подложке, по которой передается энергия для их работы. Это внушительный прогресс, если учесть, что размер светодиодов удалось сократить в тысячу раз, а нужда в оптоволоконном кабеле, ограничивающем движения животного, вовсе отпала.
Engineers from the U.S. and Korea presented (http://www.sciencemag.org/content/340/6129/211) in the journal Science, they have developed flat "needle", which are mounted on the surface of tiny LEDs and sensors
Ученые уже провели первые успешные испытания технологии на мышах. С такими миниатюрными устройствами можно провести интересные опыты, невозможные ранее. Например, в разные участки мозга вставить иглы, которые будут взаимодействовать друг с другом. На одной из них сенсоры зарегистрируют активность близлежащих нейронов и пошлют сигнал другой игле включить светодиоды. В результате возникнет функциональная связь далеких участков мозга, которую можно исследовать.Один из авторов публикации, Майкл Бручас из Университета Вашингтона, рассказал мне, что они уже пробуют это сделать. "Связь между входящими и исходящими сигналами конкретного региона мозга очень интересна для нашей лаборатории, – сказал Бручас, – особенно в стрессовом поведении, тревожных и депрессоподобных состояниях".
Другой автор работы, Джон Роджерс из Университета Иллинойса, говорит, что в будущем можно будет отказаться и от подложки, оставив внутри ткани только микроэлектронику. Это прямо перекликается с задачами проекта BRAIN, для которого дальнейшее уменьшение размеров устройств критически важно. Теперь, обладая этими новыми методами, ученые смогут исследовать мозг гораздо подробнее. Уже в самом ближайшем будущем появятся первые результаты поразительных опытов. Однако наверняка на смену этим инструментам придут еще более мощные, и ждать этого также придется недолго.