Cell:逆天!透明人不再遥远!

2014-08-16 13:55 来源:丁香园 作者:医者仁心1993
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2013年,欧盟和美国陆续宣布了脑计划,人类开始向最神秘的大脑正式进军,但很多科学家对于此计划都不太乐观,因为脑结构和之间的联系实在是太复杂了,现在对于神经科学研究的利器也缺乏,就好像愚公移山一般,但随着两项划时代的研究利器的诞生(光遗传学+CLARITY技术),无疑给了科学家在征服大脑之路打了一支毛花苷C!

更巧的是,这两项逆天的技术皆出自一人之手—Karl Deisseroth,且两项技术各不相干!对于这两件研究利器,在这儿,我只能对Karl Deisseroth说三个字:不要停!

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图1:Karl Deisseroth

2014年7月31日的Cell杂志上,来自加州理工学院生物学和生物工程的Bin Yang博士等人带来了升级版的CLARIT(透明)技术,即为PACT (passive clarity technique,被动透明技术),PACT技术主要基于CLARITY技术,将CLARITY技术推向了另一个高度。

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图2:经过PACT处理后老鼠的大脑整体观和局部、超微神经元联系。

如果不了解神经科学的读者,也许会一头雾水,什么是CLARITY技术?简单来说,CLARITY技术就是一种把不透明的组织器官或胚胎变为透明的手段,开启了神经科学的另一项新纪元,可以观察到整个无损的神经网络3D影像,包括复杂的神经网络。

在此之前,如果要观察大脑复杂的结构,就得像便秘一样一片一片切开脑组织,然后就镜下观察,然后将切片图片整合在一起形成脑组织的立体的影响,这不仅费时费力还不讨好,因为会在切片过程中可能破坏精细的神经细胞或者结构,这样的结果也不准确,而CLARITY技术很好的解决了这一问题。

CLARITY技术为使用水凝胶这种材料来固定神经元的蛋白质、神经递质、轴突、树突、突触、蛋白、核酸等等,然后再使用去垢剂SDS就洗去细胞上的脂质(神经元中的脂质成分是不透光的),即可得到透明的脑组织结构。

升级版的CLARITY技术,即PACT,与基础的CLARITY技术相比最大的区别在于,PACT把透明剂通过泵入动物的循环系统来进行处理,这样加快了透明的进度;此外,PACT可以处理整个身体或胚胎,这样更能观察到脑与周围器官的联系。

这项技术有何意义呢?

简单而言,可以更为方面且全面观察大脑的结构、功能、连接异常,还可以连续追踪神经环路,探索局部环路的细微差异,观察神经元与神经元之间的联系,以及与躯体之间的关系。

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图3:未透明化处理 vs 透明化处理后1周老鼠主要器官的比较。

此外,这项技术不仅仅局限于神经科学!

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图4:K中使用PACT之后局部透明化处理的肾脏、心脏、肺、肠道、肿瘤活组织切片上

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图5:经过PACT处理的老鼠肠道和肾脏的局部与超微观。

我们在教科书里面经常看到病因不明这四个字,估计没有任何一门学科中的疾病,这四个字出现的频率有精神病学中的疾病高,大脑实在是太复杂,怎一个迷宫了得!要想找到发病的犯罪证据,谈何容易,虽然现在有了零星的线索,但完完全全不够给精神疾病的病因定罪!

究其原因,莫过于动物模型很难做成、没有更为先进的技术,以往精神病学和神经病学就是一难兄难弟,自从脑影像学的快速发展,神经病学坐上高铁,在疾病的诊疗和寻找病因上快速前进;而难弟精神病学呢,还在绿皮车上艰难的前行….

而光遗传学和CLARITY技术的出现,弥补了这一空缺,举两个例子来说,光遗传学的出现,让我们发现了抑郁症的另一个病因—突触之间的兴奋性连接减少;使用CLARITY技术对一名7岁患有孤独症的儿童大脑皮质进行检测,发现其神经元细胞像梯子一样聚集在一起,而正常情况下应该为分支状。

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图6:C中使用PACT处理老鼠脑组织,其皮质和海马结构以及神经元联系等。

只有解开大脑的谜团才能拨云见雾看到精神疾病的真正病因,we’ll see!

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编辑: 林靖宇

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