В детстве и подростковом возрасте наш мозг претерпевает множество изменений. Однако изучение этих изменений на молодых мышах представляет собой сложную задачу, поскольку у учёных нет возможности многократно визуализировать нейронные пути одного и того же животного по мере его роста.

Теперь, просто втирая раствор в кожу головы молодой мыши, исследователи из Стэнфорда могут сделать кожу прозрачной для всего видимого света , что позволяет им визуализировать развивающиеся нейронные связи в мозге живой мыши. А поскольку метод обратим и неинвазивн, исследователи могут возвращаться к одному и тому же животному спустя несколько дней и недель.

Работа, опубликованная в PNAS , открывает новые возможности для исследований развивающегося мозга , которые могут улучшить наше понимание нарушений нейроразвития и привести к появлению новых методов вмешательства.

«Это буквально открывает окно, позволяющее заглянуть в развитие мозга», — сказал Госон Хун, доцент кафедры материаловедения и инженерии и старший автор статьи.

«Мы можем не только визуализировать структуры этих нейронов, но и отслеживать нейронную активность с течением времени в модели животного. В будущем этот подход позволит нам изучить, как эти нейронные сети формируются в процессе развития животного».

Использование фундаментальных законов для новых открытий

Обычно свет рассеивается при попадании на кожу. Рассеивание света происходит всякий раз, когда световые волны сталкиваются с поверхностями раздела материалов с различными оптическими свойствами . Таким образом, под кожей свет также рассеивается при столкновении с липидами, белками и молекулами внутри тканей. Подобно попыткам увидеть сквозь залитый солнцем туман, рассеяние света вызывает схожие трудности при попытке заглянуть внутрь тканей или сквозь них.

«С точки зрения физики, мы, по сути, представляем собой мешок с водой и биоматериалами», — сказал Марк Бронгерсма, профессор кафедры материаловедения и инженерии имени Стивена Харриса и соавтор статьи. «И именно несоответствие их оптических свойств объясняет, почему мы не можем видеть сквозь кожу или кожу головы».

Ключ к прозрачности кожи — сделать воду и биоматериалы более схожими по оптическим свойствам. Этого можно добиться, увеличив показатель преломления воды (то есть степень, с которой она преломляет свет) до уровня, соответствующего показателю преломления остальных биоматериалов в организме.

Исследователи обнаружили, что, смешивая вещество под названием ампирон с водой и втирая его в кожу мыши, можно повысить показатель преломления воды в коже мыши, сделав её прозрачной. А поскольку ампирон поглощает почти исключительно ультрафиолетовый свет , то внутреннее содержимое мыши можно увидеть во всём видимом спектре.

«Тот факт, что такие фундаментальные законы оптики могут быть применены и работать в биологической системе, просто поражает меня», — сказал Бронгерсма. «Было неясно, совпадут ли физика, химия и биология, чтобы это стало возможным».

Работа основана на открытии группой соединения, которое делает кожу прозрачной для красного света, что позволяет им видеть внутренние органы мыши, не делая надреза.

Теперь, поскольку ампирон пропускает весь видимый спектр света, команда может видеть цвета зелёного и жёлтого флуоресцентных белков, которые обычно используются для маркировки нейронной активности. У молодых мышей очень тонкие черепа, поэтому эта флуоресценция сохраняется до возраста примерно четырёх недель (эквивалент подросткового или раннего взрослого человека).

Исследователи смогли многократно визуализировать нейроны молодых мышей, находящихся под действием седативных препаратов, и увидеть, как менялась нейронная активность у бодрствующих мышей в ответ на дуновение воздуха на их вибриссы.

«Проводить ежедневную визуализацию мышей младше двух недель было чрезвычайно сложно, поскольку в этом возрасте мозг и череп мыши быстро растут», — сказал Цзюнь Дин, доцент кафедры нейрохирургии и соавтор статьи.

«Это происходит, когда синапсы формируются и сокращаются в ходе раннего развития, во время обучения и запоминания, во время циклов сна и во время гормональных циклов, и у нас не было возможности увидеть, как эти захватывающие вещи меняются в разрешении синапсов изо дня в день в течение долгого времени».

Новая область визуализации

Если раствор ампирона не нанести повторно, эффект проходит примерно через 20 минут, и исследователи не обнаружили никаких доказательств того, что временная прозрачность причиняет какой-либо вред. На самом деле, они обнаружили большее раздражение при использовании солевого раствора в качестве контроля, возможно, потому, что ампирон обладает некоторыми успокаивающими противовоспалительными свойствами.

Тем не менее, они работают над поиском других молекул, которые могли бы быть ещё более эффективными. В настоящее время они используют раствор, состоящий примерно из 70% воды и 30% ампирона, но исследователи хотели бы добиться того же эффекта (или даже лучшего) при значительно меньшей концентрации.

«Возможно, мы сможем разработать и синтезировать гораздо более эффективные молекулы на основе структуры ампирона, что позволит снизить необходимую концентрацию еще в десять раз», — сказал Хонг.

Более эффективные молекулы могли бы проложить путь к использованию этого подхода у людей, где в будущем он сможет сократить необходимость в рентгенографии и КТ-сканировании или более инвазивных исследованиях.

«В каком-то смысле сейчас идет гонка за объединение физики, химии и нейронауки для разработки более совершенных молекул, которые позволят создать совершенно новую методологию визуализации», — сказал Бронгерсма.

Внимание, автоперевод! За ошибки перевода ответственности не несём. Первоисточник по ссылке.