Brainbow: Как раскрасить мозг

Доктор биомедицины Пабло Барречегурен рассказывает о методе Brainbow — технике, которая позволяет различать соседние нейроны.

В 1906 году Нобелевская премия по медицине была разделена между Камилло Гольджи и Сантьяго Рамоном-и-Кахалем. Гольджи был удостоен награды преимущественно за создание особого метода окрашивания нейронов и их отростков, однако этот метод имел недостаток — из-за большого числа нейронов было очень сложно определить, где начинается и заканчивается каждый нейрон.

Кахаль модифицировал окрашивание так, чтобы выделялось значительно меньше нейронов, благодаря чему удалось наблюдать каждую клетку по отдельности и открыть, что между нейронами существуют пространства (синаптические щели).

Метод Brainbow

Таким образом, с момента зарождения гистологии существовала постоянная проблема различения нейронов и их отростков при окрашивании.

И это неудивительно, поскольку в нашем мозге насчитывается более 100 000 километров соединений, но, к счастью, в 2007 году была опубликована первая версия техники, которая позволяет рассмотреть каждое из этих соединений по отдельности: метод Brainbow.

Основные концепции метода Brainbow

Метод основан на двух очень простых концепциях:

1. Возможно создание трансгенных животных, экспрессирующих флуоресцентные белки разных цветов. Например, существует зелёный флуоресцентный белок (GFP, Green fluorescent protein) и красный флуоресцентный белок (RFP, Red fluorescent protein).
2. Если в клетках ткани животного одновременно присутствуют различные типы таких флуоресцентных белков в разных концентрациях, то каждая клетка приобретает уникальный цвет.

На основе этого были созданы животные (первоначально мыши), у которых имелось три или четыре разных флуоресцентных белка, перемешивающихся благодаря активации специального гена (рекомбиназы, также искусственно введённой в геном), который случайным образом сочетает количество и типы белков в каждой клетке.

В результате можно получить около 100 различных цветовых комбинаций. Здесь важно то, что изменение цвета является постоянным и распространяется на всю клетку, включая её отростки.

Поскольку это происходит в нейронах мозга, метод позволяет проводить детальное исследование того, что называется коннектомом (совокупностью нейронных связей), и упрощает анализ расположения и соединений нейронов под микроскопом.

Однако для обработки такого объёма данных требуется значительная работа в области биоинформатики и электронной микроскопии.

Тем не менее, изучение коннектома оправдывает эти усилия, так как именно связи между нейронами обеспечивают передачу информации и определяют работу мозга при выполнении различных задач.

Brainbow у других организмов

Значение метода Brainbow настолько велико, что он был перенесён на другие организмы, у которых возможна генетическая манипуляция.

Одним из примеров является Drosophila melanogaster (плодовая мушка), широко используемая в нейронаучных исследованиях, как фундаментальных, так и прикладных — при изучении болезней Паркинсона и Альцгеймера.

Ещё один пример — Danio rerio (рыбка-зебра), прозрачность которой на ранних этапах развития позволяет исследовать формирование нервной системы позвоночных.

Также не стоит забывать, что хотя первоначально Brainbow разрабатывался как нейронаучный метод, его можно адаптировать и для других типов тканей.

Brainbow и клеточная биология

Таким образом, Brainbow стал одним из самых популярных инструментов в клеточной биологии. Он остаётся важным методом для изучения коннектома, безусловно являющегося главным вызовом нейронауки XXI века.

Но он может использоваться и в других задачах, например, для исследования клеточных линий: после активации техники изменение цвета нейронов становится постоянным и наследуемым.

Это означает, что при делении клетки дочерние клетки сохранят цвет родительской клетки. Это позволяет точно изучать, какие клетки дают начало каким тканям, и помогает глубже понять механизм работы нейронных стволовых клеток.

Таким образом, Brainbow — это не только один из самых зрелищных методов молекулярной биологии, но и один из самых универсальных.

Библиография

• Benjamin Richier и Iris Salecker. Versatile genetic paintbrushes: Brainbow technologies. WIREs Developmental Biology (2015). Volume 4.
• Dawen Cai, Kimberly B. Cohen, Tuanlian Luo, Jeff W. Lichtman и Joshua R. Sanes. New tools for the brainbow toolbox. Nat Methods (2013). 10(6): 540–547.
• Jean Livet и др. Transgenic strategies for combinatorial expression of fluorescent proteins in the nervous 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 и др. 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 методе Brainbow, возможно, вас заинтересуют и следующие статьи: