Neue Technik hilft Wissenschaftler enträtseln die inneren Verbindungen , wie Gedanken, Erinnerungen oder Krankheiten entstehen

Im vergangenen Jahr Karl Deisseroth , ein Stanford- Professor für Biotechnik und für Psychiatrie und Verhaltenswissenschaften , kündigte eine neue Art des Peering in einem Gehirn - die spektakuläre Fly-Through Blick auf seine innere Verbindungen vorgesehen - aus dem Körper entfernt . Seitdem Labors auf der ganzen Welt haben begonnen, mit der Technik , CLARITY mit einigem Erfolg , die Verdrahtung des Gehirns besser zu verstehen.

Allerdings, sagte Deisseroth , dass mit zwei technische Lösungen CLARITY noch breiter angenommen werden könnte . Das erste Problem war , dass die Laboratorien wurden nicht zuverlässig Durchführung der CLARITY -Prozess eingestellt . Zweitens wurden die meisten gängigen Mikroskopieverfahren nicht auf Bild entwickelt die ganze transparent Gehirn. "Es gab eine Reihe von bemerkenswerten Ergebnissen mit CLARITY beschrieben ", sagte Deisseroth , "aber wir brauchten, um diese beiden unterschiedlichen Herausforderungen zu begegnen , um die Technologie einfacher zu bedienen. "

In einem kürzlich publishedNature Protocols Papier, präsentiert Deisseroth Lösungen für beide dieser Engpässe . " Diese Transformations CLARITY , so dass der gesamte Prozess viel einfacher und die Datenerfassung viel schneller ", sagte er . Er und seine Co-Autoren , darunter Postdoktoranden Raju Tomer und Li Ye und Doktorand Brian Hsueh , davon aus, dass noch mehr Wissenschaftler nun in der Lage , die Vorteile der Technik zu nehmen , um das Gehirn auf einer grundlegenden Ebene besser zu verstehen und auch zu untersuchen sein die Ursprünge der Hirnerkrankungen .


Ein dreidimensionales Rendering von geklärter Gehirn von unten abgebildet.
Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung der Deisseroth Labor

Dieses Papier kann die erste mit Unterstützung des Weißen Hauses BRAIN Initiative veröffentlicht , gab im vergangenen Jahr mit dem ehrgeizigen Ziel der Kartierung Billionen des Gehirns von Nervenverbindungen und das Verständnis, wie Signale durch diese miteinander verbundenen Zellen zip , unsere Gedanken , Erinnerungen, die Bewegung zu kontrollieren und alles andere, was uns macht uns .

" Diese Arbeit Aktien der Geist des BRAIN Initiative Ziel des Aufbaus neuer Technologien , um das Gehirn zu verstehen = einschließlich des menschlichen Gehirns ", sagte Deisseroth , der auch ein Stanford- Bio -X angeschlossen Fakultät member.Eliminating Fett

Wenn Sie an das Gehirn sehen , was Sie sehen, ist die Fett äußere Hülle der Nervenzellen innerhalb , welche Blöcke Mikroskope von der Aufnahme von Bildern der komplizierten Verbindungen zwischen Hirnzellen . Die Idee dahinter war , dass die CLARITY Fettkapsel zu beseitigen und dabei das Gehirn intakt , komplett mit all ihren komplizierten inneren Verdrahtung.

Die Art und Weise Deisseroth und sein Team eliminiert das Fett war es, ein Gel im intakten Gehirn , die alle Strukturen und Proteine ​​in Position gehalten zu bauen. Sie nutzten dann ein elektrisches Feld an die Fettschicht , die in einem elektrisch geladenen Reinigungsmittel gelöst worden war, herausziehen und hinterließ alles in der Firma Gel auf Wasserbasis oder Hydrogel eingebettet des Gehirns Strukturen . Dies wird als elektrophoretische CLARITY .

Das elektrische Feld Aspekt war eine Herausforderung für einige Labors . " Etwa die Hälfte der Menschen, die es versucht haben es sofort mit der Arbeit ", Deisseroth sagte, "aber andere hatten Probleme mit der Spannungs schädlichen Gewebe. " Deisseroth sagte, dass diese Art von Herausforderung ist normal, wenn die Einführung neuer Technologien . Als er zuerst eingeführt Optogenetik , die Wissenschaftler auf einzelne Nerven kontrollieren mit Hilfe von Licht ermöglicht , ein ähnlicher Anteil von Labors zunächst nicht auf die einfache Implementierung der neuen Technologie gesetzt , und lief in Herausforderungen.

Zu helfen, die Verwendung von CLARITY , entwickelte das Team eine alternative Möglichkeit des Herausziehens der Fett aus dem Hydrogel eingebettet Gehirn - eine Technik, die sie passive CLARITY nennen . Es dauert ein wenig länger , aber immer noch entfernt alle Fett, ist viel einfacher und stellt keine Gefahr für die Gewebe darstellen . " Elektrophoretische CLARITY ist wichtig für die Fälle, in denen Geschwindigkeit ist von entscheidender Bedeutung , und für einige Gewebe ", sagte Deisseroth , der auch der DH Chen Professor . "Aber passive CLARITY ist ein entscheidender Fortschritt für die Gemeinschaft , vor allem für Neurowissenschaften . "Passive CLARITY erfordert nicht mehr als einige Chemikalien , ein warmes Bad und Zeit.

Viele Gruppen haben damit begonnen, CLARITY Gehirne von Menschen, die Krankheiten wie hatten gespendet Sonde anwenden Epilepsie oder Autismus , die Hinweise im Gehirn hinterlassen haben könnte , um zu helfen Wissenschaftler verstehen und schließlich Behandlung der Krankheit . Aber Wissenschaftler, darunter Deisseroth , war vorsichtig versuchen elektrophoretische CLARTY auf diesen wertvollen klinischen Proben mit noch einem sehr niedrigen Risiko einer Beschädigung . "Es ist eine seltene und kostbare gespendet Probe , die Sie nicht wollen, um eine Chance auf Schäden oder Fehler haben", sagte Deisseroth . "Jetzt ist die Gefahr Problem behoben ist , und oben auf, dass Sie die Daten sehr schnell zu bekommen. "

Schnelle CLARITY Bildgebung in Farbe

Die zweite Voraus musste diese Schnelligkeit der Datensammlung zu tun. Bei der Untersuchung alle Zellen , die Wissenschaftler oft Verwendung von Sonden , die in die Zelle oder eines Gewebes gehen , klammern sich an ein bestimmtes Molekül , dann leuchtet grün , blau, gelb oder andere Farben als Reaktion auf bestimmte Wellenlängen des Lichts . Dies ist, was produziert die bunten Zell Bilder , die so häufig in der Biologie Forschung sind . Mit CLARITY , werden diese bunten Strukturen im gesamten Gehirn sichtbar , da kein Fett bleibt , um das Licht zu blockieren.

Aber hier ist der Haken. Diese Sonden aufhören zu arbeiten , oder sich gebleicht, nachdem sie zu viel Licht ausgesetzt. Das ist in Ordnung , wenn ein Wissenschaftler ist nur ein Bild von einem kleinen Zellstruktur , die wenig Zeit in Anspruch nimmt . Aber um ein hochauflösendes Bild eines ganzen Gehirns zu erhalten, das ganze Gewebe wird in Licht in der gesamten Zeit, die zur Bild es Punkt für Punkt gebadet. Dieser Ansatz bleicht die Sonden , bevor die gesamte Gehirn mit hoher Auflösung abgebildet werden.

Der zweite Fortschritt der neuen Papier behebt dieses Problem , so dass es leichter für Bild in das gesamte Gehirn , ohne Bleichen der Sonden . "Wir können nun eine gesamte Ebene scannen zu einer Zeit statt einem Punkt ", sagte Deisseroth . "Das kauft man ein paar Größenordnungen der Zeit und auch effizient liefert Licht nur dorthin, wo die Abbildungs ​​vor sich geht. " Die Technik wird als Lichtschnittmikroskopie und hat sich für eine Weile, aber bisher nicht über ausreichend hoher Auflösung , um die feinen Details der zellulären Strukturen sehen . " Wir gingen herkömmlichen Lichtbogen-Mikroskopie für CLARITY und können nun sehen, feine Verdrahtungsstrukturen tief in einer intakten erwachsenen Gehirn ", sagte Deisseroth . Sein Labor gebaut eigenen Mikroskop , aber die Verfahren sind in der Veröffentlichung beschrieben , und die wesentlichen Bestandteile sind kommerziell erhältlich. Darüber hinaus bietet Deisseroth Labor kostenlose Schulungen in CLARITY , modelliert nach seinem Optogenetik Kurse, zur Verbreitung der Techniken .

Bildgebung des Gehirns , um Soldaten zu helfen

Der BRAIN -Initiative wird durch mehrere Regierungsbehörden einschließlich der Defense Advanced Research Projects Agency ( DARPA ), der Deisseroth Arbeit durch seine neue Neuro- FAST -Programm finanziert finanziert. Deisseroth gesagt, wie das National Institute of Mental Health ( NIMH , ein weiterer wichtiger Geldgeber für die neue Papier ) " interessiert sich für unser Verständnis von Hirnschaltkreisenin intakten und verletzten Gehirn , um die Entwicklung besserer Therapien zu informieren. " DARPA Die neuen Methoden Deisseroth und sein Team entwickelt wird sowohl Human- und Tier - Modell CLARITY zu beschleunigen; als CLARITY wird weiter verbreitet , wird es weiterhin zu helfen, zeigen , wie diese inneren Schaltungen in normalen und erkrankten Gehirn strukturiert und vielleicht zu Therapiemöglichkeiten hinweisen .

Andere Arme der BRAIN -Initiative durch die National Science Foundation (NSF) und die National Institutes of Health (NIH) finanziert. Eine Arbeitsgruppe für die NIH Arm war Co-Leitung von William Newsome, Professor für Neurobiologie und Leiter des Stanford Neurosciences Institute und ebenfalls enthalten Deisseroth und Mark Schnitzer , Associate Professor für Biologie und der angewandten Physik . Diese Gruppe empfahl kürzlich eine Investition von $ 4500000000 in der BRAIN -Initiative in den nächsten 12 Jahren, die NIH Direktor Francis Collins genehmigte Anfang dieses Monats.

Neben der Finanzierung von DARPA und NIMH wurde das Werk von der NSF , dem National Institute on Drug Abuse , die Simons -Stiftung und der Familie Wiegers Fonds finanziert .