Технология, позволяющая в буквальном смысле слова просматривать мозг подопытных животных насквозь и наблюдать за его активностью на уровне отдельных клеток, разработана группой ученых во главе с Константином Анохиным.

Извлеченный мозг животного обрабатывают особым образом так, что в прозрачном образце органа видны все его внутренние части, со всеми клетками и во всем объеме – от обонятельных луковиц до мозжечка. Теперь исследователи, которые раньше были ограничены изучением отдельных срезов, смогут рассматривать мозг целиком, располагая намного большим объемом информации.

Разработанный группой Анохина метод, кроме того, помогает медикам увидеть отдельные клетки из кусочка ткани мозга пациента, что обеспечивает точность диагностики (например, онкологических заболеваний).

Мозг и память

Основное направление группы Константина Анохина относится не к прикладной медицине, а к фундаментальной науке – нейробиологии памяти. Лаборатория исследует то, как формируется память, как происходит извлечение из нее информации, как память переходит из краткосрочной в долговременную форму, как она нарушается и можно ли извлечь из нее уже забытое.

Для этих исследований прозрачный мозг – настоящая находка. Дело в том, что при обучении, воспоминании и забывании в нервных клетках происходят самые разные процессы, проследить за которыми, используя отдельные срезы, практически невозможно. А если есть возможность рассматривать мозг целиком, то задача существенно упрощается. Проблема только в том, как это сделать.

Путь к просветлению

Первые попытки получить изображение мозга со всеми его внутренними частями ученые предприняли еще в 1990-х годах. Мозг мыши нарезали тонкими (толщиной всего 20 микрометров) срезами, окрашивали каждый срез специальными реактивами и потом фотографировали это под микроскопом. Из полученной стопки снимков составляли трехмерную картинку, которая давала представление о состоянии мозга в момент эксперимента. Тогда можно было видеть, как обучение включает некоторые гены в нервных клетках, как активируются различные области мозга... Но метод был чрезвычайно трудоемким.

Нейробиологам приходилось почти на полдня погружать в морозильную камеру руки и при помощи специального автоматического ножа получать там срезы толщиной в человеческий волос. Тонкие и похожие на лепестки срезы мышиного мозга переносились затем на стекла и разглаживались кисточкой, потом их еще сутки выдерживали в различных реактивах – и это лишь малая часть прежней работы ученых. Каждое предметное стекло надо было десятки раз отснять под микроскопом, снимки обработать вручную и только потом загрузить в специальную программу для построения трехмерной модели. С одной мышью приходилось работать по нескольку дней, поэтому о массовом применении технологии речи не было вовсе.

Константин Анохин предпринимал различные шаги, чтобы облегчить проводимые работы: в лаборатории появился лазерный сканер для автоматического снятия изображения сразу с нескольких десятков срезов. Был закуплен микроскоп, который мог самостоятельно передвигать и снимать поверхность предметного стекла по заданной программе, но все равно это не избавляло от необходимости резать образцы на десятки и сотни слоев. Решение пришло позже, когда появились первые публикации зарубежных ученых о просветлении мозга.

«Просветление» – в данном случае термин буквальный: непрозрачный мозг животного помещается в специальные реактивы, выдерживается в них некоторое время и становится похож на стекло.

Через него действительно можно буквально читать распечатанный на бумаге текст, а в пробирке с консервирующей жидкостью просветленный мозг можно и не увидеть вовсе.

Просветления недостаточно

Однако научиться получать прозрачные образцы было всего лишь частью большой проблемы, ведь сама по себе прозрачная ткань не столь интересна. Вот если суметь сначала пометить все интересующие ученых клетки, а потом сделать мозг прозрачным – тогда можно будет решить ту задачу, над которой исследователи бились больше десятка лет. Видеть сразу все отделы мозга, наблюдать, какие клетки активизировались и где гены начали работу, к примеру, после попадания мыши в незнакомую обстановку, – вот чего добивалась лаборатория нейробиологии памяти.

Сотруднику лаборатории Александру Лазуткину вместе с коллегами удалось подобрать такое сочетание реактивов, которое позволяло и пометить все нужные клетки, и сделать мозг прозрачным. При участии физиков из нижегородского Института прикладной физики была собрана специальная установка, позволяющая получить серию снимков прозрачного мозга с разных сторон, а через полтора года после начала работ над проектом «Оптическая проекционная томография» были получены и первые трехмерные модели мозга.

Что дальше?

За последние десятилетия биология совершила скачок, сопоставимый с бурным развитием физики около 100 лет назад, когда появилась квантовая механика. Ученые стали изучать роль конкретных генов в различных процессах, от развития рака до формирования памяти, нашли молекулярные переключатели активности генов, связали некоторые из них с конкретными событиями в жизни клетки, и сейчас происходит выход на новый уровень.

Вслед за пониманием работы отдельных клеток идут исследования совместной их работы, в том числе в мозге. Для таких исследований уже мало видеть клетки – надо рассматривать мозг в целом. Прозрачные образцы – хорошее подспорье в решении задачи.