Brainbow: Как раскрасить мозг

Доктор биомедицины Пабло Барречегурен рассказывает о Brainbow — методе, позволяющем различать соседние нейроны.

В 1906 году Нобелевскую премию по медицине разделили Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль. Гольджи получил её во многом за создание метода окрашивания, который выявлял нейроны и их ответвления, но у этого метода была проблема: из-за огромного количества нейронов было очень трудно понять, где начинается и заканчивается каждый из них.

Кахаль изменил окрашивание так, чтобы различимыми становилось гораздо меньше нейронов, что позволило увидеть каждую клетку по отдельности и обнаружить, что при передаче сигналов между нейронами существуют разделяющие их промежутки.

Brainbow

Таким образом, с самого зарождения гистологии различение нейронов и их отростков при окрашивании было постоянной проблемой.

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

Принципы Brainbow

Этот метод основан на двух очень простых принципах:

1. Можно создать трансгенных животных, экспрессирующих флуоресцентные белки разных цветов. Например, существует зелёный флуоресцентный белок (GFP, Green fluorescent protein) или красный флуоресцентный белок (RFP, Red fluorescent protein).
2. Если в каждой клетке ткани животного содержатся разные виды этих флуоресцентных белков в разных количествах, то каждая клетка будет иметь свой цвет.

Исходя из этого, были созданы животные (сначала мыши) с тремя или четырьмя разными флуоресцентными белками, которые смешивались благодаря активации гена (рекомбиназы, также искусственно введённой в геном), случайным образом смешивающего количество и виды флуоресцентных белков в каждой клетке.

В результате получается примерно 100 разных цветовых комбинаций. Главное здесь то, что изменение цвета постоянно и окрашивает всю клетку, включая её ответвления.

Поскольку это происходит в нейронах мозга, становится возможным детальное изучение так называемого коннектома (совокупности связей между нейронами), и под микроскопом уже легче анализировать, с чем соединяется каждый нейрон.

Правда, для работы с таким огромным объёмом связей требуется серьёзная работа в области биоинформатики и электронной микроскопии.

Но изучение коннектома того стоит, ведь именно связи обеспечивают передачу информации между телами нейронов и по-настоящему объясняют, как работает мозг при выполнении каждой задачи.

Brainbow в других организмах

Brainbow настолько важен, что его перенесли на другие организмы, в которых возможны генетические манипуляции.

Пример — Drosophila melanogaster, плодовая мушка, на которой ведутся интенсивные нейронаучные исследования как фундаментального уровня (изучение развития мозга), так и биомедицинского — работы, в которых Drosophila используется для изучения болезни Паркинсона или Альцгеймера.

Ещё один пример — Danio rerio , или рыбка данио, которая благодаря прозрачности на ранних стадиях развития используется для изучения начального формирования нервной системы позвоночных.

Кроме того, не стоит забывать, что, хотя изначально Brainbow был методом, разработанным для нейронаучных исследований, его 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 изучения коннектома, которое, без сомнения, является главной задачей нейронауки XXI века.

Но его можно использовать и для других задач, например для изучения клеточных линий: после активации метода изменение цвета нейронов становится постоянным и к тому же наследуется.

То есть, если клетка делится, её дочерние клетки сохраняют цвет родительской. Это позволяет точно изучать, какие клетки дают начало каким тканям, помогая глубже понять область нейральных стволовых клеток.

Ведь Brainbow — не только один из самых эффектных методов молекулярной биологии, но и один 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, вас могут заинтересовать следующие статьи: