"CLARITY". O nouă tehnologie imagistică

Faceţi cunoştinţă cu rezultatele uimitoare ale ʺCLARITYʺ, o tehnică nouă care permite oamenilor de ştiinţă să facă materia creierului şi a altor ţesuturi complet transparentă. Această tehnică a fost deja cotată drept una dintre cele mai importante progrese ale neuroanatomiei din ultimele decenii şi nu este greu să ne dăm seama de ce.

Tăiaţi capul unui şoarece. Îndepărtaţi cu atenţie creierul, spălaţi-l uşor şi veţi obţine o imagine asemănătoare cu cea de mai sus, din stânga. Întâmplarea face că materia cenuşie îşi merită numele. Datorită, în mare parte, unor molecule cunoscute sub numele de lipide, de obicei organele cum ar fi creierul sunt opace. Lipidele înconjoară membranele celulare şi furnizează suport structural pentru o varietate de organe şi ţesuturi din întreg organismul, dar dispersează lumina. Prin urmare, cele mai multe microscoape reuşesc cu dificultate să surprindă chiar şi un milimetru de materie biologică înainte ca imaginile din obiectiv să devină neclare.

Creierul este o lume alcătuită dintr-un număr de continente neexplorate şi întinderi mari de teritorii necunoscute.
Înainte şi după ʺCLARITYʺ

Una dintre cele mai populare tehnici pe care oamenii de ştiinţă o folosesc pentru a depăşi această limitare se numeşte "secţionare." Aplicarea sa în practică este extrem de simplă: un cercetător va criogeniza o bucată de ţesut (un creier de şoarece, de exemplu) în azot lichid şi apoi îl va felia în zeci de foi mici, fiecare dintre aceste foi având un milimetru grosime. Acest lucru transformă o problemă unică în 3 dimensiuni (altfel de nepătruns, datorită caracterului non-transparent al ţesutului) într-o serie de probleme bidimensionale. Putem secţiona un creier strat cu strat pentru ca mai apoi să-i reconstruim structura tridimensională şi să analizăm totul, începând de la structura celulară, până la distribuţia spaţială a proteinelor şi diferitele conexiuni care se formează între neuroni. Însă pierderile sunt substanţiale. Eşantionul este literamente secţionat într-o grămadă de piese minuscule. Cu fiecare felie, ţesutul este deformat, conexiunile sunt întrerupte, informaţiile sunt pierdute.

Tehnica botezată ʺCLARITYʺ pune capăt felierii şi tăierii în cuburi a întregului ţesut. Această tehnică, descrisă în ultimul număr al revistei Nature de către o echipă condusă de cercetătorii de la Stanford Kwanghun Chung şi Karl Deisseroth, presupune îndepărtarea din ţesuturi a tuturor lipidelor care dispersează lumina, în acelaşi timp lăsând orice altceva acolo unde îi este locul. Ne amintim, totuşi, că lipidele joacă un rol structural important în organele precum creierul. Dacă le îndepărtăm, totul se prăbuşeşte, un fapt care a împiedicat încercările anterioare de a analiza creierul. Acest lucru se schimbă cu ajutorul tehnicii ʺCLARITYʺ.

ʺCLARITYʺ funcţionează în virtutea unei momeli şi a unui comutator. În cadrul studiului lor, Chung şi Deisseroth au imersat creierul unui şoarece într-un amestec de formaldehidă şi acrilamidă. Formaldehida determină ataşarea unor structuri şi componente celulare importante acrilamidă, care se solidifică, transformându-se într-un gel atunci când este încălzită. În etapa următoare, gelul este traversat de un curent electric, care distruge tot ceea ce nu aderă. Lipidele sunt îndepărtate şi creierul devine transparent, ca o gelatină. Mai important este că toate structurile semnificative rămân intacte şi la locul lor. Acestea sunt: neuronii, sinapsele, proteinele şi ADN-ul. Fiecare componentă este exact unde ar trebui să fie.

Capacitatea de a îndepărta lipidele din creier este singurul lucru care dă naştere unor oportunităţi remarcabile de a cerceta. În imaginea de mai sus, creierul unui şoricel a devenit transparent cu ajutorul tehnicii ʺCLARITYʺ prin marcarea unor neuroni specifici cu un marker fluorescent de culoare verde. Cercetătorii au folosit aceasta tehnică (numită "imunomarcare"), pentru a evidenţia anumite caracteristici moleculare şi structurale timp de ani de zile, dar cu ajutorul ʺCLARITYʺ, celulele marcate pot fi văzute în trei dimensiuni, simultan.

De fapt, procesul de îndepărtare al lipidelor din creier face ca ţesuturile să fie mai permeabile, făcând mai uşoară, în primul rând marcarea cu markeri fluorescenţi, dar şi demarcarea lor şi apoi reetichetarea cu o etichetă cu totul diferită. Mai mult, faptul că nu este necesară secţionarea creierului pentru a vedea cum este colorat permite adăugarea mai multor marcaje la acelaşi creier. Imaginea reprezintă o regiune a creierului cunoscută drept hipocamp, la nivelul căreia diferiţi neuroni  au fost marcaţi cu o varietate de culori fluorescente. Un creier care a fost odată impermeabil pentru lumină a fost făcut invizibil, doar pentru a fi făcut vizibil din nou, dar de data aceasta cu o specificitate remarcabilă.

Nimic nu indică faptul că această tehnică nu poate fi folosită şi pe creierul uman, atâta timp cât dispunem de timpul necesar. Colorarea unui creier purificat, asemeni celui de mai sus, necesită îmbibarea în soluţii cu marcajele fluorescente pe care doriţi să le utilizaţi. În cazul unui creier de şoarece, acest lucru poate dura o lună sau mai mult. În cazul unui creier la fel de voluminos ca şi cel al unui om, ar fi nevoie de mult mai mult timp. (În timp ce Chung şi Deisseroth au demonstrat că tehnica lor ar putea fi folosită pe creierul uman, ei au aplicat această tehnică  doar pe un mic bloc de ţesut, nu pe un creier întreg).

Mai mult decât atât, nimic nu indică faptul că tehnica numită ʺCLARITYʺ nu ar putea fi folosită pe alte ţesuturi, cu excepţia creierului, deşi acest organ cu siguranţă promite cel mai mult. Abilitatea de a vizualiza conexiunile neuronale de-a lungul unui creier transparent, de exemplu, ar putea stimula o dezvoltare incredibilă în domeniul conectomicii, care încearcă să creeze o hartă a conexiunilor neuronale din creier. În revista Neuroscience, câteva instrumente sunt la fel de râvnite ca şi cele care vă permit să vedeţi o parte şi întregul în acelaşi timp. ʺCLARITYʺ ar putea permite cercetătorilor să studieze structura şi distribuţia neuronilor izolaţi de la nivelul întregului creier. "Acesta este tipul de inovaţie datorită căreia neuroştiintele vor cunoaşte un avânt remarcabil", a declarat de curând Henry Markram, lider al recent lansatului ʺProiect al Creierului Umanʺ din Europa, într-un interviu acordat lui Ed Yong de la NatGeo. "Această nouă metodă de imagistică a întregului creier, la toate nivelurile acestuia, oferă o modalitate de a achiziţiona o mare parte din datele cheie de care vom avea nevoie."

Alţi oameni de ştiinţă au împărtăşit entuziasmul lui Markram. "Acesta este, probabil, unul dintre cele mai importante progrese în domeniul neuroanatomiei din ultimele decenii", a declarat Thomas Insel, director al Institutului Naţional de Sănătate Mintală din Bethesda, Maryland, într-un interviu acordat pentru Nature. "Lucrarea este spectaculoasă", a fost de acord Van Weeden, neurolog la Boston Massachusetts General Hospital şi cercetător principal în cadrul Connectome Human Project de la INS (Institutul Naţional de Sănătate). "Rezultatele sunt diferite de oricare altele obţinute în domeniu."

Ultimele din spusele de mai sus ale lui Weeden nu sunt în întregime adevărate. Pentru majoritatea oamenilor, efectele de transparentizare obţinute cu ajutorul lui ʺCLARIYʺ, seamănă, probabil, foarte mult cu cele ale unui tratament chimic prezentat în urmă cu câţiva ani de către oamenii de ştiinţă de la Institutul de Cercetare Riken din Japonia. Într-un studiu prezentat într-un număr din 2011 al revistei Nature Neuroscience, cercetătorii au folosit un solvent numit ʺScaleʺ pentru a transparentiza aproape complet un embrion de şoarece (fotografia de mai sus) şi pentru a vizualiza apoi neuronii şi vasele de sânge din creier în trei dimensiuni. Diferenţa, conform Chemical & Engineering News este că tehnica ʺCLARITYʺ "pare să confere ţesutului o transparenţă mai mare decât ʺScaleʺ, menţinând în acelaşi timp integritatea structurală a ţesutului".

Acestea fiind spuse, Atsushi Miyawaki, care a condus echipa de cercetare din cadrul Institutului RIKEN, s-a alăturat celor care îşi exprimă aprobarea vizavi de utilitatea ʺCLARITYʺ, chiar dacă într-o măsură mai mică decât alţi cercetători pe care i-am citat aici. "CLARITY va propulsa fără îndoială neuroştiinţa", a declarat el pentru C&EN, referitor la această tehnică.