隐形苍蝇：一种通过组织色素沉着研究神经系统的新方法

对生物的研究是一个复杂的过程，需要准确性。 现代扫描方法已经成功地做到了这一点。 今天，我们可以在三维图像中充分研究身体或单个器官。 可以说，大约100年前，只有从器官中取出器官并对其进行活体检查才能获得器官的三维视图。 但是，总会有一些“但是”。 但是，即使是最精确的扫描仪和显微镜也无法提供100％的准确性。 现在，如果有可能使所有不必要的东西不可见，并将我们要研究的那部分身体保持可见。 听起来像科幻小说，不是吗？ 我同意 但是现在它是真实的。 今天，我们将以果蝇为例，了解对扫描生物的新方法的研究。 科学家如何使普通的果蝇“看不见”，他们的扫描方法有多准确，这将如何帮助诊断人类疾病？ 这些和其他问题的答案我们只能在研究人员的报告中得到。 所以我们不要拉它。 走吧

学习基础

正如我在前一篇文章中所说的那样 ，像今天一样，果蝇的主要特征是果蝇，这种小而实际上令人讨厌的昆虫是许多研究的主题。 在它的帮助下，科学家正在研究很多东西：从空气动力学到神经系统。 今天将要讨论的是后者。 在如此小的生物中研究如此复杂的系统充满了某些困难。 通过将生物切成许多超薄层，我们已经熟悉研究生物的方法。 这种方法可以更详细地研究许多系统。 然而，关于神经系统，据研究人员称，这种方法侵犯了细胞的完整性，这使研究系统各个部分的过程变得复杂。



如果我们对小型生物进行扫描而没有物理“分层”，我们将同时看到所有系统。 但是科学家只想研究一种系统，而其他科学家则不应干扰这一过程。 因此，他们提出了一个聪明而简单的想法-使所有内容不可见（或相当透明），并使必要的系统保持不变。

目前，有足够的工具来实现这种想法，只是将它们组合在一起而已。 一种名为FlyClear的新扫描方法的主要成分（以纪念第一个测试对象-果蝇为果蝇）是组织“清洁”和超显微技术。



果蝇被选为测试对象是有原因的。 大多数组织清洁方法的基础是测试生物的基因改造。 在这种情况下，它是荧光。 该过程非常复杂且耗时。 主体越大，修改它所花费的时间就越多。 此外，并非所有生物都可以按照科学家想要的方式进行修改。 果蝇很容易进行类似的基因操作，这一过程不需要花费太多时间。

目前，研究生物体的最流行方法是共聚焦显微镜，但仅在解剖组织后才能进行。 问题出现了-如果不进行解剖？ 在这种情况下，我们将获得低质量的浅色图像，该过程本身将花费大量时间。 还将观察到样品中光子的强吸收和散射，特别是随着组织色素沉着的增加（如果蝇）。 因此，必须清洁样品，即使其透明。 因此，为了平衡信号强度的降低并获得均匀的空间分辨率。 使组织“不透明”（请假想一个词）的主要方法是降低细胞成分之间的边界处的折射率。

研究人员并不否认，现在有几种方法已经成为使织物透明的经典方法。 但是，他们还声称这些方法有许多缺点。 形态的保存，荧光的稳定性，扫描深度等-在所有这些方面，温和地说，现有方法都不可行。 此外，它们均不能使组织完全脱色。

事实证明，为了更好地扫描小物体，仍然需要对组织进行横截面检查吗？ 不完全是 科学家以果蝇为例。 果蝇感觉神经元位于其周围区域（腿，眼，触角），与众多神经和大脑有着很长的联系。 如果这些区域是分层的，那么我们将无法完整了解这些区域神经系统的结构。

在这项研究中，FlyClear方法使我们能够去除果蝇组织的色素沉着，从而暴露其神经系统。 花了大约一个月的时间。 超显微技术使我们能够可视化最小的神经联系，并绘制出蚊虫神经系统的完整地图。 一种物质也起着很大的作用，在这种帮助下，有可能使神经系统以明亮的绿色“着色”-一种绿色荧光蛋白（以下称为ZFB）。 该蛋白的基因是从海el Aequorea victoria获得的，正好用于测试样品的基因修饰。


海equ水母维多利亚。

通过荧光显微镜获得的数据通过特殊算法处理，该算法可让您创建高分辨率的三维图像。

学习准备

果蝇组织的光学清洁并非易事。 几丁质外骨骼和小面眼色素沉着是该过程中最困难的部位。 当前可用的组织清洁方法远非理想，因为研究人员创建了他们自己的FlyClear，我在前面提到过。

FlyClear结合了以前的几种方法。 在此过程中，第一个是CUBIC（清晰，通畅的脑成像鸡尾酒）。 进一步的步骤取决于样品（幼虫或成虫）的状态。


FlyClear过程的选项。

对于幼虫，使用0.03％的蛋白酶和甲醛固定。 事实是蛋白酶破坏了蛋白质氨基酸之间的肽键，这有助于使组织“脱色”。 接下来，将丙酮用于样品的通透性（细胞膜通透性的变化）。

科学家通过取代[CH ₃ CH（OH）CH ₂ ] ₂ NCH ₂ CH ₂ N [CH ₂ CH（OH）CH ₃ ] ₂ （N，N，N'，N'-四（2-羟丙基） ）乙二胺）在C ₁₀ H ₂₄ N ₂ O ₄ （2.2'，2“，2”'-（乙二腈）-四乙醇）上。 这种变化使包括在复杂区域（眼睛和表皮）在内的组织完全脱色成为可能。

因此，完成组织脱色的方法起作用。 现在，您需要检查研究的第二个重要阶段-荧光。 更准确地说，鉴于果蝇在基因操作后已经具有低荧光性，因此有必要检查新试剂C ₁₀ H ₂₄ N ₂ O _4是否会抑制荧光信号。 为了进行测试，将样品（果蝇体）一分为二：一半未经处理，另一半经处理。 分析表明，使用C ₁₀ H ₂₄ N ₂ O ₄时ZFB的严重程度确实降低了，但这并不影响整体精度。 这全都归功于相同的试剂可以实现高度的组织脱色。 即，试剂的优点弥补了其缺点。

可以这么说，必须考虑完成的样品，为此，使用了先进的超显微技术来获得在所有平面上具有相同分辨率的样品图像。


光学系统：1和3-平凸非球面圆柱透镜； 2-鲍威尔镜; 4-椭圆切趾软孔径； 5和6-柱面透镜。

通常，标准的超显微技术使用柱面透镜和矩形光圈。 在这项研究中，使用了其他组件，这些组件将光束的形状更改为具有改善特性的超薄光束。

使用球面透镜是由于能够获得不失真且像差最小的图像。

标准光圈也已更改为椭圆变迹软光圈（在上面的数字4中的图像中）。 新的光圈消除了光学系统中不必要的强度分布。

研究成果

以下是果蝇生物体的特定系统（呼吸系统，视觉系统，神经系统等），它们由ZFB突出显示，而其余组织已完全脱色。

为了不拉长文章，我把所有东西都藏在了扰流板之下。









科学家毫不犹豫地将其研究的最大成就称为创建完整的神经系统三维图的能力。 如果您认为该系统属于这样的小生物（果蝇），那么这一成就将变得更加重要。

这项新技术可让您准确确定这些神经元或其他神经元之间以及与大脑之间的连接位置和方式。 如果使用横截面，则不可能。



为了证明他们的方法的功能，科学家向我们展示了果蝇视觉系统的两种神经元： DCN-背簇神经元和MCN-脑柱状神经元（大脑后部的皮质柱）。 在大脑的背外侧区域，DCN簇形成连合化合物，以激发视神经叶中延髓和小叶的突触神经元。 （ a ， c上方的图像）。

在图像b和d中 ，可见Neuroglian神经细胞纯合突变体中的连合连接丢失。 神经系统的这些变化与FlyClear细胞纯化过程完全相关。



要建立三维重建，请从两个正交方向拍摄照片，然后将其合并。 基于3D FFT的算法确定了两个图像堆栈之一中看起来更清晰的样本细节。 此外，所有这些都组合成一个三维重建。

那些希望更详细地了解这项研究的人可以阅读科学家的报告和其他材料 。

结语

科学家们并没有夸耀自己的工作并为此而骄傲，因为这从未发生过。 在生物研究领域中，横截面分层方法占主导地位。 但是，该方法尽管具有许多优点，但是具有很大的缺点。 特别地，切口侵犯了细胞和组织的完整性，从而使特定身体系统的重建过程复杂化。

当每个细节都很重要时，探索具有复杂神经系统的生物现在将变得更加容易。 科学家将能够获得更多数据，这将使他们能够更详细地描述人体中的这些或其他过程。

同样，不要忘记，果蝇仅在本研究中是实验性的，而不是其基础。 改进新的扫描方法也可以为人服务。 而且不仅用于研究身体及其组成元素，而且用于诊断可能在早期阶段隐藏的疾病，而当前可用的扫描方法无法确定这些疾病。

研究开辟了许多新事物：动物的新物种，新物质，新过程和新现象。 但是如果没有旨在创建研究工具的研究，所有这些都是不可能的。


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