http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2013-04-15
通过“CLARITY”变形技术，小鼠的大脑(左)可以变成透明，但仍然完好的状态(右)。
CLARITY技术实现了完整的小鼠大脑成像
透明小鼠的大脑图像，显示了海马区域的特征
新浪环球地理讯 北京时间4月12日消息，在好莱坞电影《隐形人》里面，主角格里芬在自己身上进行了神秘的实验，使自己变成了隐形人；而在漫画《神奇四侠》中，隐形女因为突然遭受宇宙射线的辐射而意外得到超能力，能控制光波使自己和他人隐形。现在，在斯坦福大学，一项名为“CLARITY”的新技术却能使老鼠的大脑变得透明。
老鼠是非常常见的生物学实验动物，但科学家在研究它们不透明的大脑时却感到十分困扰。如果你要在大脑中寻找某种蛋白质，如淀粉样β蛋白(引起阿尔茨海默症的蛋白)的位置，我们很容易就可以把荧光分子接到蛋白质上——这一过程成为免疫标记——但由于大脑是不透明的，你就必须将它切成很薄的切片，然后才能观察这些发光的标记，最后将这些切片上的信息在电脑里重新组合。
如果能发明一项使大脑变透明的技术，以上这些繁琐的问题就可以迎刃而解，而这也正是 Kwanghun Chung所做到的。他与斯坦福大学卡尔·戴瑟罗特(Karl Deisseroth)博士领导的科学小组合作，研制出了一种名为“CLARITY”的新技术。该技术不仅能使大脑变得透明，更重要的是，它能保证大脑中最重要的组成部分保持在原位。每一个神经元、蛋白质、脱氧核糖核酸(DNA)链以及化学信号物质都锁定在原来的位置，做了标记的分子如抗体或荧光标记等都能轻松地进行检测。
一开始，Chung利用甲醛和丙烯酰胺混合溶液来保存一个分离的冷藏大脑标本。甲醛将大脑中大部分的分子如蛋白质和DNA等与丙烯酰胺连接起来，当加热到体温时就变成一个硬化的透明胶体。然后，Chung给大脑标本通上一股电流，将没有连接到胶体上的东西除去。整个过程有点像用铅笔绘制一个场景，然后把边缘擦去。
经过这番处理，我们就得到了一个透明的老鼠大脑。它包括了每一个细胞的内容物，却去掉了细胞的轮廓。它之所以透明，是因为去除了能散射并反射光线的脂类。这些脂类也起着屏障的作用，去除之后，我们就可以往透明的大脑里注入标记分子。“你可以对整个组织进行拍摄，然后再重建为三维模式，”Chung说，“而不需要去做切片。”我们可以使大脑中某一类型的神经元发出黄绿色的荧光，然后以大脑整体的角度观察神经元的位置，而不必再用不透明的切片进行重组。
这里还有另一张透明的小鼠大脑图像。你可以看到海马区域的特征，该区域与学习、记忆和空间导航能力有关。每一种颜色代表着一种连接在大脑分子上的标记。“CLARITY技术使免疫标记和大批量成像成为可能，或许将取代超薄切片，”麻省理工学院的Sebastian Seung说，“从大脑中获得的信息很大部分来自染色标记。”
与常规的染色-切片方法相比，CLARITY技术节省了时间和精力，其获得的结果也更清晰，因为在对大脑进行切片的时候，难免会对科学家想要研究的组织造成损伤。这项技术也提供了新的可能性。在此之前，如果你在大脑里注入一个标记，你必须将标本解剖才能获得结果。如今，科学家可以在“透明化”的大脑上增加更多的标记。如果有了某些有趣的进展，你还可以继续在同样的完整大脑上进行实验。
“这是一项可以使神经科学研究大幅加速的创新，”人类脑计划(HBP)的负责人亨利·马克拉姆(Henry Markram)说，“这一新技术可以提供整个大脑在所有水平上的图像，将为我们获得许多关键的数据提供新的路径。”
不过，CLARITY技术也有一些缺点。据Chung称，最主要的缺陷是该技术并不容易掌握。其中，用电流去除脂类的步骤是最难的，Chung甚至专门打造了一个装置来实现。他说：“在实验中我烧坏了数百个大脑标本，才最终获得成功。”其他实验室或许也要经历同样的阶段，不过现在Chung已经把他的实验细节放到了网上，任何人都可以来复制这一过程。
将标记分子注入大脑也需要相当长的时间。目前唯一的方法是让这些分子自己扩散，即把大脑泡在充满标记分子的组织液中，使之渗透进去。一个小小的小鼠大脑，可能需要数月时间才能完成染色标记。因此，在体积更大的人类大脑或猴子大脑上使用该技术并不现实。Chung正在研究加速这一过程。
大脑仅仅是个开始，CLARITY技术能够在任何组织或器官上适用，它能使肝脏、心脏和肺等器官像大脑一样变得透明。Chung现在正组建自己的实验室，或许在不久的未来，我们就可以看到CLARITY技术有更广泛的应用。有关该技术的成果发表在4月10日的《自然》(Nature)杂志上。(原文作者Ed Yong，任天编译)
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