Brainbow: Как раскрасить мозг

Доктор биомедицинских наук Пабло Барречегурен рассказывает о термине Brainbow — методике, позволяющей различать соседние нейроны.

В 1906 году Нобелевская премия по физиологии или медицине была разделена между Камилло Гольджи и Сантьяго Рамоном-и-Кахалем. Во многом её присудили Гольджи за создание метода окрашивания, который помечал нейроны и их разветвления, однако у него была проблема: из-за большого количества нейронов было очень сложно увидеть, где начинался и где заканчивался каждый нейрон.

Кахаль изменил окрашивание так, чтобы оно делало различимыми значительно меньше нейронов, что позволило рассматривать каждую клетку по отдельности и обнаружить, что в коммуникации между нейронами существуют разделяющие их промежутки.

Brainbow

Таким образом, с самого зарождения гистологии постоянной проблемой было различать нейроны и их отростки в пределах окрашенного препарата.

И это неудивительно: наш мозг содержит более 100 000 километров связей, но, к счастью, в 2007 году была опубликована первая версия методики, позволяющей увидеть по отдельности каждую из этих связей: Brainbow.

Концепции Brainbow

Эта методика основана на двух очень простых идеях:

1. Возможно получать трансгенных животных, которые экспрессируют флуоресцентные белки разных цветов. Например, существует зелёный флуоресцентный белок (GFP, Green fluorencent protein) или красный флуоресцентный белок (RFP, Red fluorencent protein).
2. Если в каждой клетке ткани животного присутствуют разные типы таких флуоресцентных белков и в разных количествах, то каждая клетка будет иметь свой цвет.

Исходя из этого, были получены животные (сначала работали с мышами), у которых присутствовал набор из трёх или четырёх разных флуоресцентных белков, которые смешивались благодаря активации гена (рекомбиназы, также искусственно введённой в геном), и этот ген случайным образом «перемешивает» количества и типы флуоресцентных белков в каждой клетке.

В результате получается приблизительно 100 различных цветовых комбинаций. Ключевой момент в том, что это изменение цвета является постоянным и помечает всю клетку, включая её разветвления.

Поскольку это происходит в нейронах мозга, метод позволяет проводить детальное исследование так называемого коннектома (совокупности связей между нейронами) и уже облегчает анализ под микроскопом того, где именно соединяется каждый нейрон.

Хотя, разумеется, для работы с таким огромным объёмом связей требуется значительный объём работ по биоинформатике и электронной микроскопии.

Но изучение коннектома того стоит, поскольку именно связи обеспечивают передачу информации между телами нейронов и именно они в конечном счёте объясняют, как работает мозг каждый раз, когда выполняет задачу.

Brainbow в других организмах

Значимость Brainbow так велика, что методику перенесли и на другие организмы, в которых возможна генетическая модификация.

Один из примеров — Drosophila melanogaster, плодовая мушка, в отношении которой ведутся интенсивные нейронаучные исследования: как на базовом уровне, изучая развитие мозга, так и на биомедицинском — в работах, где Drosophila используют для исследований болезни Паркинсона или болезни Альцгеймера.

Другой пример — Dario rerio или рыба данио-рерио (зебрафиш): благодаря тому, что на ранних стадиях развития она прозрачна, её используют для изучения первоначального формирования нервной системы у позвоночных.

Кроме того, не стоит забывать, что хотя изначально Brainbow был методикой, разработанной для нейронаучных исследований, этот инструмент можно адаптировать и для других типов тканей.

Brainbow и клеточная биология

Благодаря всему этому Brainbow стал одним из самых популярных инструментов клеточной биологии. Он по-прежнему остаётся важным инструментом в изучении коннектома, который, без сомнения, является главным нейронаучным вызовом XXI века.

Но его также можно применять и для других задач, например для изучения клеточных линий: после активации методики изменение цвета в нейронах становится постоянным и, кроме того, наследуемым.

То есть если эта клетка делится, то её дочерние клетки сохранят цвет материнской клетки. Это позволяет точно изучать, какие клетки дают начало каким тканям, помогая глубже понять область нейрональных стволовых клеток.

И действительно, Brainbow — не только одна из самых эффектных методик молекулярной биологии, но и одна из самых универсальных.

Библиография

• Benjamin Richier and Iris Salecker. Versatile genetic paintbrushes: Brainbow technologies. WIREs Developmental Biology (2015). Volume 4.
• Dawen Cai, Kimberly B. Cohen, Tuanlian Luo, Jeff W. Lichtman, and Joshua R. Sanes. New tools for the brainbow toolbox. Nat Methods (2013). 10(6): 540–547.
• Jean Livet, Tamily A. Weissman, Hyuno Kang, Ryan W. Draft, Ju Lu, Robyn A. Bennis, Joshua R. Sanes & Jeff W. Lichtman. Transgenic strategies for combinatorial expression of fluorescent proteins in thenervous system. Nature (2007). Vol 450.
• Michel A. Hofman. Evolution of the human brain: when bigger is better. Frontiers in Neuroanatomy (2014). Volume 8, Article 15.
• Zoe T. Cook, Nicole L. Brockway, Zachary J. C. Tobias, Joy Pajarla, Isaac S. Boardman, Helen Ippolito, Sylvia Nkombo Nkoula, and Tamily A. Weissman. Combining near-infrared fluorescence with Brainbow to visualize expression of specific genes within a multicolor context. Molecular Biology of the Cell (2019). Volume 30

Если вам понравилась эта статья о Brainbow, возможно, вас также заинтересуют следующие статьи:

«Эта статья была переведена. Ссылка на оригинальную статью на испанском:»
Brainbow: Cómo colorear un cerebro