Nature重大成果：新技术展现透明的完整大脑

　　

生物通报道：斯坦福大学的研究人员将神经学与化学工程结合起来，获得了透明而完整的小鼠大脑，这一新技术保留了大脑3D结构、神经回路及其他生物机制的完整性，展现了大脑中复杂的精细连接和分子结构。在此基础上，人们可以根据需要通过光或化学物质进行研究，文章发表在四月十日的Nature杂志上。

这一被称为CLARITY的突破性技术，将人们带入了完整器官成像的全新领域，有望从根本上改变我们对大脑等重要器官的理解。通过该技术人们可以对完整大脑进行化学、遗传学和光学分析，而这些研究此前只能在组织切片上进行。

该技术采用一种透明凝胶来替代大脑中的脂类，让大脑组织变得透明且可渗透。在此基础上，人们得以在细胞/分子水平上对完整大脑进行高分辨率成像。这项研究由斯坦福大学的Karl Deisseroth博士领导，该跨学科团队中还包括Kwanghun Chung博士。

“CLARITY将有助于综合理解大规模的完整生物系统，”Deisseroth。“让我们能够在保持神经结构连续性的同时，研究亚细胞的蛋白和分子，分析远程回路、局部回路和细胞空间联系。”

“这一成就将转变我们研究大脑的方式，”NIMH主管Thomas R. Insel评论道。“重要器官的深入研究将不再受到二维方法的限制。”此前，要在高分辨上研究大脑的内部结构，人们需要将大脑组织切成极薄的切片，而这样会切断大脑中的回路。这种缺乏完整性的方法，使人们很难将微观发现与宏观现象关联起来。

现在，研究人员通过CLARITY技术，在保持大脑完整性的同时，抽出了大脑中的不透明物质（脂类）。脂类在大脑中帮助形成细胞膜，并赋予大脑多种结构，不过也令化学物质和光线难以深入大脑。

研究人员用一种水凝胶来替换大脑中的脂类，他们将死后的完整大脑浸入水凝胶溶液，让溶液中的单体进入组织，然后对其稍微加热。在差不多达到体温时，上述单体开始凝聚为长分子链，在大脑中形成高分子网络。这一网络能够支持大脑中的所有结构，但不会结合脂类。随后，研究人员快速将脂类抽出，获得了完整透明的3D大脑，大脑中的神经元、轴突、树突、突触、蛋白、核酸等等都完好的维持在原位。他们将这一技术成为Clear Lipid-exchanged Anatomically Rigid Imaging或immunostaining-compatible Tissue Hydrogel，简称CLARITY。

研究人员构建了表达荧光蛋白的小鼠，并用CLARITY成像了它的整个大脑。他们用传统显微镜展示了其中的发光信息，例如蛋白嵌入细胞膜和单个神经纤维。又通过电镜揭示了其中的精细结构，例如突触。

研究还显示，在CLARITY处理的小鼠大脑中，荧光抗体能够使其特异性结合的目标发光。在这一系统中，人们可以追溯神经环路，解析局部环路的细微差异，观察细胞间的联系和分析亚细胞结构。此外，人们还可以利用这一技术，探寻蛋白复合体、核酸和神经递质之间的化学关联。

这项技术的另一个重要亮点在于，人们可以去除已染色的荧光抗体，并用其他抗体进行重新染色，以便在同一个大脑中研究不同的分子目标。研究显示，这种染色/退色过程可以重复多次。

研究人员还通过CLARITY技术，分析了一个孤独症患者死后的大脑标本。尽管该标本已经用甲醛保存了六年，CLARITY技术仍能帮助人们研究其中的神经纤维、神经元细胞体及其延伸部分。

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Structural and molecular interrogation of intact biological systems

Obtaining high-resolution information from a complex system, while maintaining the global perspective needed to understand system function, represents a key challenge in biology. Here we address this challenge with a method (termed CLARITY) for the transformation of intact tissue into a nanoporous hydrogel-hybridized form (crosslinked to a three-dimensional network of hydrophilic polymers) that is fully assembled but optically transparent and macromolecule-permeable. Using mouse brains, we show intact-tissue imaging of long-range projections, local circuit wiring, cellular relationships, subcellular structures, protein complexes, nucleic acids and neurotransmitters. CLARITY also enables intact-tissue in situ hybridization, immunohistochemistry with multiple rounds of staining and de-staining in non-sectioned tissue, and antibody labelling throughout the intact adult mouse brain. Finally, we show that CLARITY enables fine structural analysis of clinical samples, including non-sectioned human tissue from a neuropsychiatric-disease setting, establishing a path for the transmutation of human tissue into a stable, intact and accessible form suitable for probing structural and molecular underpinnings of physiological function and disease.