2014-08-16 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!
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。
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。
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!
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
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。
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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