Российские ученые сделали мозг прозрачным

Человеческий мозг остается самой сложной биологической структурой для понимания законов его работы. В конце концов, человек может познать мозг лишь с помощью другого, своего собственного мозга, хоть и привлекая в помощь современные технологии. Еще не так давно мозг можно было сравнить с «черным ящиком», но сейчас он постепенно «светлеет».

Сегодня в арсенале ученых имеется много методов для исследования работы мозга. Все они обладают теми или иными ограничениями. Функциональная томография анализирует целый мозг и позволяет увидеть, как вовлечены его части в решение какой-либо задачи. Это макроуровень. Регистрация электрической активности отдельных нейронов позволяет изучать мозг на клеточном уровне. Наконец, проникнуть в молекулярные процессы мозга можно при помощи микроскопических методов. Однако для этого мозг надо разъять на ультратонкие срезы и исследовать фрагменты ткани.

Союз лазера и микроскопа

Но увидеть, как работает целый мозг в процессе обучения и формирования памяти на молекулярном уровне, также возможно. Для этого надо объединить томографический и микроскопический методы. Именно это делает ультрамикроскопическая оптическая томография.

«Сама идея ультрамикроскопии возникла еще в начале прошлого века, -- рассказал корреспонденту Infox.ru член-корреспондент РАН, руководитель отдела системогенеза НИИ нормальной физиологии РАМН Константин Анохин. – В 1901 году немецкие ученые изобрели метод, с помощью которого они исследовали оптически прозрачный образец с помощью плоского пучка света».

В наше время, когда появился лазер, этот подход развивали две группы немецких ученых, причем один метод был применим только к микрообъектам, а другой – разработанный под руководством Ульриха Додта -- годился и для макрообъектов. Именно его взяли за основу российские ученые при создании своей оригинальной установки для ультрамикроскопической оптической томографии.

Основные части установки, которая создана под руководством Константина Анохина в сотрудничестве с Институтом прикладной физики в Нижнем Новгороде, – это лазер с длиной волны до 488 нм, флуоресцентный микроскоп, устройство перемещения образца и видеокамера. «Наша установка оказалась по многим параметрам лучше, чем немецкая, -- рассказал корреспонденту Infox.ru кандидат биологических наук Александр Лазуткин. – Она обладает большим полем зрения и более высоким разрешением, что позволяет исследовать крупные образцы мозга на клеточном уровне без необходимости смены объектива. Использование волоконной оптики сделало нашу систему более компактной, универсальной и надежной в работе».

Как сделать «черный ящик» прозрачным

Чтобы мозг можно было исследовать таким образом, его надо сделать прозрачным. Буквально, как стекло. Для этого существуют специальные методы. Главное – избавиться от воды, лишних белков и липидов. Если такой «просветленный» мозг мыши поместить в специальный раствор с соответствующим коэффициентом преломления, через него можно даже читать, в чем на собственном опыте убедились корреспонденты Infox.ru.

Ольга Ефимова и другие сотрудники НИИ нормальной физиологии достигли больших успехов в методах просветления ткани: они разработали несколько различных растворов, один из которых сейчас патентуют.

За работой мозга можно подсмотреть через работу генов

Сделать мозг прозрачным – это еще полдела. Надо в прозрачном мозге увидеть интересующие нас белки, а для этого их пометить. Есть два способа. Первый -- покрасить белки флуоресцентными красителями, предварительно связанными с антителами. Подходящие для данного метода способы окраски разрабатывал Александр Лазуткин. Биологи добились того, чтобы можно было метить белки не только на срезах, как делали до сих пор, а в объемной ткани. И хотя прокрасить таким образом целый мозг взрослой мыши не получилось, но удалось сделать это с отдельными структурами мозга или с целым мозгом детенышей.

Второй способ – использовать трансгенных животных, у которых ген интересующего нас белка связан с геном зеленого флуоресцирующего белка (GFP), так что клетки, в которых синтезируется данный белок, в синем излучении светятся зеленым светом. Таким способом можно получить целый светящийся мозг взрослой мыши.

Цель всего этого – увидеть, какие клетки мозга принимают участие в процессе обучения и памяти. Это удается благодаря работе специфических генов. В 1987 году Константин Анохин открыл группу генов (их называют ранними генами, наиболее известный представитель этой группы – ген c-fos), которые экспрессируются в мозге при любом обучении, при любом восприятии новой информации. Эти гены запускают работу других генов, для того чтобы в нейронах и синапсах произошли перестройки, необходимые для формирования памяти.

Экспрессия генов означает, что в мозге синтезируются соответствующие белки. Именно эти белки, помеченные флуоресцентной меткой, и становятся видимыми в микроскоп.

Оптические срезы создают образ целого

Луч лазера, проходя через специальную диафрагму и фокусирующую линзу, становится плоским. Он оптически разрезает ткань мозга подобно тому, как нож в микротоме режет ткань на ультратонкие срезы. Камера снимает срезы с заданным шагом, например 10 микрон, а затем программа собирает эти виртуальные оптические срезы в виртуальное трехмерное изображение целого мозга.

На мониторе вращается мозг двухдневной мыши, которая столкнулась с новым для себя запахом. В ее мозге немедленно активизировался один из ранних генов, и продукт экспрессии этого гена мы наблюдаем в окрашенных ярко-зеленым цветом клетках мозга.

Но чаще ученые исследуют работу генов не в целом мозге, а в его частях, например, в гиппокампе. Это очень важная структура для формирования памяти, и именно в нем при обучении активно работают ранние гены.

«Вот в этом гиппокампе мыши, которую обучали в задаче условнорефлекторного замирания, -- объяснил Infox.ru аспирант НИИ нормальной физиологии РАМН Сергей Чехов, -- экспрессируется ген c-fos. Мы можем не только увидеть клетки, в которых работал этот ген, но и посчитать их. Для этого гиппокамп виртуально делят на зоны и раскрашивают зоны в разные цвета».

Просветлять, чтобы изучать

Просветлять и просвечивать можно не только мозг, но и другие органы и ткани. На мониторе вращаются прозрачное сердце, легкие мыши, прозрачный мышиный эмбрион. Свечение в них происходит за счет естественной флуоресценции белков. На изображениях видна тончайшая анатомическая структура органов. Метод, говорят ученые, может быть очень полезен в экспериментальной медицине, так как даст возможность увидеть все нарушения, вызванные каким-либо воздействием. А прозрачный мышиный эмбрион дает наглядное представление о процессах развития органов и тканей.

Можно просветлить и ткани человека. Конечно, не целые органы, но кусочек ткани размером 15 на 15 мм – вполне. Только вот ткань легких курильщика не просветляется, говорят ученые.

Наконец, просветлению поддается раковая опухоль. На мониторе корреспонденты Infox.ru наблюдают, как становится видна ее внутренняя система сосудов. В опухоли можно отследить и работу отдельных генов, если ее ткань перед тем прокрасить с помощью специфических антител.

А в будущем биологи собираются проследить, как работают в мозге лекарственные вещества: как они действуют на молекулы-мишени и какие изменения вызывают.