Διάφανος εγκέφαλος! CLARITY gives a clear view of the brain

Νέα τεχνική κάνει διάφανο τον εγκέφαλο ενός ποντικού απεικονίζοντας λεπτομερώς τη δικτύωση των νευρώνων και τη μοριακή δομή του. An intact mouse brain stained with fluorescent labels for different proteins. Each colour represents a different molecular label. Credit: Kwanghun Chung and Karl Deisseroth, Howard Hughes Medical Institute/Stanford University

Ένα ταξίδι μέσα στα άδυτα του εγκεφάλου αποτελεί το όνειρο κάθε νευροεπιστήμονα και όχι μόνο. Σε έναν βαθμό αυτό κατέστη για πρώτη φορά δυνατόν με μια νέα απεικονιστική τεχνική που ανέπτυξαν ερευνητές του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ στις Ηνωμένες Πολιτείες. Το σχετικό βίντεο μας ταξιδεύει στον εγκέφαλο ενός ποντικού αποκαλύπτοντας για πρώτη φορά τη δικτύωση και τη μοριακή δομή του.

Η μέθοδος απεικονίζει με πρωτοφανή καθαρότητα τα δίκτυα των νευρώνων αλλά και τα χημικά του εγκεφάλου προσφέροντας τη δυνατότητα άντλησης πληροφοριών σχετικά με την έκφραση των γονιδίων στα μεμονωμένα κύτταρα – και άρα σχετικά με τη λειτουργία που επιτελεί το καθένα από αυτά.

Μεγάλο άλμα στην απεικόνιση

This undated image provided by Karl Deisseroth's lab shows a three-dimensional rendering of clarified mouse brain seen from below. Scientists have made mouse brains transparent, permitting a comprehensive and exquisitely detailed view of their inner structures, providing a major new tool for research. "You get the big picture without losing track of the details,'' said Dr. Karl Deisseroth, who led the Stanford team that reported the work online Wednesday, April 10, 2013 in the journal Nature. Some other labs are already working to apply the technique on other kinds of tissue, such as for studying breast cancer biopsies, Deisseroth said. (AP Photo/Karl Deisseroth)

Ο εγκέφαλος και η λειτουργία του αποτελούν ένα μυστήριο που μόνο πρόσφατα άρχισε σιγά σιγά να εξερευνάται από τους επιστήμονες χάρη στις νέες απεικονιστικές τεχνικές. Καμία τους ωστόσο δεν μπορούσε ως τώρα να εισχωρήσει βαθιά σε αυτόν και να αποκαλύψει το εσωτερικό του. Ο μόνος τρόπος που οι ειδικοί είχαν στη διάθεσή τους για τη μελέτη της δομής του ήταν ανατομικός – η πραγματοποίηση δηλαδή τομών σε νεκρά όργανα. Η τομή ωστόσο καταστρέφει τους άξονες των νευρώνων, καθιστώντας ουσιαστικά αδύνατο να διαπιστώσει κανείς πώς αυτοί συνδέονται μεταξύ τους.

Η τεχνική που ανέπτυξαν οι επιστήμονες του Στάνφορντ με επικεφαλής τον ψυχίατρο και ειδικό στην εμβιομηχανική Καρλ Ντάισεροτ καθιστά τα όργανα διαπερατά από το φως – δηλαδή διάφανα – διατηρώντας όμως παράλληλα ανέπαφη την ανατομική και μοριακή δομή τους. Η CLARITY όπως την ονομάζουν (Clear Lipid-exchanged Acrylamide-hybridized Rigid Imaging/Immunostaining/In situ hybridization-compatible Tissue-hYdrogel) εφαρμόστηκε πειραματικά για να αποκαλύψει με πρωτοφανή λεπτομέρεια τη νευρολογική δικτύωση του εγκεφάλου ενός ποντικού, πραγματοποιώντας ένα μεγάλο άλμα στην ιατρική απεικόνιση.

«Η μελέτη ανέπαφων συστημάτων με τόσο μεγάλη ανάλυση σε ό,τι αφορά τη συνολική και μοριακή δομή τους – το να μπορούμε δηλαδή να δούμε ταυτοχρόνως τη γενική εικόνα αλλά και τη λεπτομέρεια – αποτελούσε έναν μεγάλο ανεκπλήρωτο στόχο της βιολογίας, έναν στόχο τον οποίο η CLARITY αρχίζει να εκπληρώνει» τόνισε ο δρ Ντάισεροτ παρουσιάζοντας το νέο, πολύτιμο «εργαλείο».

Με διάφανο ζελέ

Αριστερά ο εγκέφαλος ενός ποντικού και δεξιά η διάφανη εκδοχή του με την εφαρμογή της CLARITY με φόντο μια φράση του διάσημου νευροεπιστήμονα Σαντιάγο Ραμόν ι Καχάλ. This undated image provided by Karl Deisseroth’s lab shows a combination of photos of an intact adult mouse brain before and after the two-day CLARITY process. Scientists have made mouse brains transparent, permitting a comprehensive and exquisitely detailed view of their inner structures, providing a major new tool for research. “You get the big picture without losing track of the details,” said Dr. Karl Deisseroth, who led the Stanford team that reported the work online Wednesday, April 10, 2013 in the journal Nature. Some other labs are already working to apply the technique on other kinds of tissue, such as for studying breast cancer biopsies, Deisseroth said. (AP Photo/Karl Deisseroth)

 Όπως περιγράφεται στη σχετική δημοσίευση στην επιθεώρηση «Nature», η νέα μέθοδος βασίζεται στη χρήση μιας ειδικής διάφανης υδρογέλης. Αρχικά οι επιστήμονες αφαίρεσαν τον εγκέφαλο ενός ποντικού και ενέχυσαν σε αυτόν τη διάφανη υδρογέλη η οποία συγκεντρώνεται στις λιπώδεις μεμβράνες των νευρώνων (οι λιπώδεις μεμβράνες που περιβάλλουν τα κύτταρα αποτελούν ένα βασικό εμπόδιο στην προσπάθεια των ειδικών να «δούν» μέσα στα όργανα).

Καθώς η υδρογέλη στερεοποιήθηκε πήρε το σχήμα των μεμβρανών δημιουργώντας μια μήτρα η οποία συγκράτησε στη θέση τους τις πρωτεΐνες, το DNA και το RNA των κυττάρων. Στη συνέχεια οι επιστήμονες ενέχυσαν ένα χημικό το οποίο διέλυσε τις λιπώδεις μεμβράνες δημιουργώντας έναν διάφανο εγκέφαλο από ζελέ στον οποίο όλο το μοριακό υλικό (πρωτεΐνες, RNA και DNA) βρίσκεται ανέπαφο στην αρχική του θέση ενώ παράλληλα διακρίνονται λεπτομερώς τόσο η δομή των μεμονωμένων νευρώνων όσο και οι συνδέσεις μεταξύ τους.

Η θέση του μοριακού υλικού καθίσταται ορατή εγχέοντας φθορίζοντες δείκτες – κάτι το οποίο, όπως τονίζουν οι ειδικοί, μπορεί να βοηθήσει στο να ανιχνευθεί ποια γονίδια εκφράζονται στα μεμονωμένα κύτταρα αποκαλύπτοντας τη λειτουργία που αυτά επιτελούν μέσα στον εγκέφαλο.

Εφαρμογή σε άλλα όργανα, έμβρυα και όγκους

A team at Stanford University has made brains transparent, allowing entire networks of neurons to be highlighted and then viewed through an optical microscope. In the past, it has only been possible to image slices of organs such as the brain. First, Karl Deisseroth and his colleagues propped up the cells in a whole mouse brain using a scaffold of fibrogel, before removing all the fat surrounding the cells. The technique – details of which are published in the latest issue of Nature – also works on human brains, potentially revealing how changes to the connectivity of neurons cause conditions such as autism. Source: Nature Video.

Ο ειδικοί έχουν ήδη εφαρμόσει την CLARITY για να απεικονίσουν τον εγκέφαλο ενός ψαριού-ζέβρα και ενός τμήματος ανθρώπινου εγκεφάλου πάχους 5 χιλιοστών. Όπως ωστόσο τόνισε ο Κουανχούνγκ Τσουνγκ, πρώτος συγγραφέας της μελέτης, η απεικόνιση μεγαλύτερων τμημάτων ή και ολόκληρου του εγκεφάλου ενός ανθρώπου είναι ακόμη αρκετά δύσκολη, γιατί οι άξονες των ανθρώπινων νευρώνων περιβάλλονται από μεγάλη ποσότητα λιποπρωτεϊνών.

Όπως προσέθεσε ο δρ Τσουνγκ, η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απεικόνιση οποιουδήποτε οργάνου ενώ μπορεί επίσης να εμφανίσει σε… διάφανη εκδοχή έμβρυα στη μήτρα ή και όγκους. Επιστήμονες από διάφορες χώρες οι οποίοι δεν μετείχαν στη μελέτη χαρακτηρίζουν την ανακάλυψη εξαιρετικά σημαντική για τη μελέτη της λειτουργίας του εγκεφάλου. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο δρ Ντάισεροτ είναι ένας από τους 15 ειδικούς της ομάδας που χαράσσει τους στόχους του προγράμματος για τη χαρτογράφηση του ανθρώπινου εγκεφάλου που εξήγγειλε ο πρόεδρος των Ηνωμένων Πολιτειών Μπαράκ Ομπάμα στις 2 Απριλίου.