Окно в мозг: череп мыши сделали прозрачным для нейровизуализации
Растущий мозг претерпевает множество изменений. Наблюдение за ними представляет огромный научный интерес — и крайне затруднено, так как нет возможности многократно визуализировать нейронные пути одной и той же мыши, по мере роста, не говоря уж о людях.
В Стэнфордском университете решили эту проблему. Там разработали раствор, который делает кожу мыши прозрачной. И поскольку метод этот обратимый и неинвазивный, исследователи могут возвращаться к одному и тому же животному в течение дней и недель. Результаты многообещающих экспериментов опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Это буквально открывает окно для наблюдения за развитием мозга, — восхищен старший автор статьи Госонг Хонг с кафедры материаловедения и инженерии Стэнфорда. — Мы можем не только визуализировать структуры этих нейронов, но и наблюдать за нейронной активностью с течением времени на животной модели. В будущем этот подход может позволить нам увидеть, как эти цепи формируются в процессе развития животного».
Фундаментальные законы оптики на службе науке
Рассеяние света происходит, когда световые волны проходят границы между материалами с разными оптическими свойствами. Поэтому те лучи, которые не отразились от поверхности кожи, внутри тела рассеиваются, встречая липиды, белки и молекулы. Это делает невозможной попытку что-либо разглядеть — подобно драматичному снижению видимости в туманный день.
«С точки зрения физики мы, по сути, мешок воды с биоматериалами, — сравнивает профессор Марк Бронгерсма, соавтор статьи. — Несоответствие их оптических свойств — причина, по которой мы не можем видеть сквозь кожу или заглянуть внутрь головы».
Таким образом, чтобы сделать кожу прозрачной, надо сделать воду и ткани более схожими по своим оптическим свойствам. Этого можно достичь, повысив показатель преломления воды до уровня, соответствующего преломлению остальных биоматериалов в организме.
Оказалось, с этим прекрасно справляется раствор ампирона — втерев его в кожу мыши, можно сделать ее прозрачной. И поскольку ампирон почти исключительно поглощает ультрафиолетовый свет, внутренности животного можно рассмотреть во всем видимом спектре.
«То, что такие фундаментальные законы оптики можно применить и они работают в биологической системе, для меня просто поразительно, — признается Бронгерсма. — Не было ясным, совпадут ли физика, химия и биология так, чтобы это стало возможным».
Работа основана на другом открытии команды — ранее было показано, что обычный пищевой краситель делает кожу мыши прозрачной для красного света, позволяя увидеть ее внутренние органы без разреза. Теперь, поскольку ампирон пропускает весь спектр видимого света, можно видеть цвета зеленых и желтых флуоресцентных белков, которые обычно используются для маркировки нейронной активности.
У молодых мышей очень тонкие черепа, поэтому эту флуоресценцию можно наблюдать до тех пор, пока мыши не исполнится около четырех недель (что эквивалентно подростковому возрасту или ранней зрелости у человека). Исследователи смогли многократно визуализировать нейроны у молодых мышей под седацией и наблюдать, как в состоянии бодрствования меняется нейронная активность в ответ на дуновение воздуха на их усы.
«Было невероятно сложно проводить ежедневную визуализацию у мышей младше двух недель, потому что в этом возрасте мозг и череп мыши быстро растут. Именно в этот период формируются и прореживаются синапсы в процессе раннего развития, во время обучения и запоминания, в ходе циклов сна и гормональных изменений. И до сих пор у нас не было возможности наблюдать с разрешением до отдельного синапса эти удивительные ежедневные изменения на протяжении длительного времени», — поделился доцент нейрохирургии Цзюнь Дин, соавтор статьи.
Новые области визуализации
Если раствор ампирона не наносить повторно, его эффект исчезает примерно через 20 минут. Исследователи не обнаружили свидетельств какого бы то ни было вреда временной прозрачности — фактически, большее раздражение вызывал физиологический раствор, использовавшийся в качестве контроля. Возможно, это связано с определенными успокаивающими противовоспалительными свойствами ампирона.
Тем не менее, продолжается поиск других, еще более эффективных молекул. Для опытов применялся 30% раствор ампирона, но исследователи хотят достичь того же (или лучшего) эффекта при значительно более низкой концентрации.
«Мы можем разработать и синтезировать гораздо более эффективные молекулы на основе структуры ампирона, что позволит нам снизить необходимую концентрацию еще в десять раз», — пояснил Хонг.
Более эффективные молекулы могут помочь открыть путь к применению этого метода у людей, чтобы в будущем сократить потребность в некоторых видах рентгенографии, КТ-сканирования или более инвазивных исследований.
«В некотором смысле, сейчас начинается гонка за объединение физики, химии и нейробиологии для создания улучшенных молекул, способных обеспечить принципиально новые методы визуализации», — заключил Бронгерсма.