Nature：科學家獲得完整透明的3D大腦

日前，斯坦福大學的一支跨學科研究小組將神經學與化學工程結合起來，開發了一種名為“CLARITY”的突破性技術，獲得了透明而完整的小鼠大腦，這一新技術保留了大腦3D結構、神經回路及其他生物機制的完整性，展現了大腦中復雜的精細連接和分子結構。這一成就將轉變我們研究大腦的方式，在此基礎上，人們可以根據需要通過光或化學物質進行研究。相關研究論文刊登在了近期出版的《自然》（Nature）雜志上。

研究人員將這一技術成為“Clear, Lipid-exchanged,Anatomically Rigid, Imaging/immunostaining compatible, Tissue hYdrogel”，簡稱CLARITY。

該技術采用一種透明凝膠來替代大腦中的脂類，讓大腦組織變得透明且可滲透。在此基礎上，人們得以在細胞/分子水平上對完整大腦進行高分辨率成像。這項新技術將人們帶入了完整器官成像的全新領域，有望從根本上改變我們對大腦等重要器官的理解。通過該技術人們可以對完整大腦進行化學、遺傳學和光學分析。

研究人員表示，CLARITY將有助于綜合理解大規模的完整生物系統，使得研究人員能夠在保持神經結構連續性的同時，研究亞細胞的蛋白和分子，分析遠程回路、局部回路和細胞空間。

重要器官的深入研究將不再受到二維方法的限制。此前，要在高分辨上研究大腦的內部結構，人們需要將大腦組織切成極薄的切片，而這樣會切斷大腦中的回路。這種缺乏完整性的方法，使人們很難將微觀發現與宏觀現象關聯起來。

現在，研究人員通過CLARITY技術，在保持大腦完整性的同時，抽出了大腦中的不透明物質（脂類）。脂類在大腦中幫助形成細胞膜，并賦予大腦多種結構，不過也令化學物質和光線難以深入大腦。

研究人員用一種水凝膠來替換大腦中的脂類，他們將死后的完整大腦浸入水凝膠溶液，讓溶液中的單體進入組織，然后對其稍微加熱。在差不多達到體溫時，上述單體開始凝聚為長分子鏈，在大腦中形成高分子網絡。這一網絡能夠支持大腦中的所有結構，但不會結合脂類。隨后，研究人員快速將脂類抽出，獲得了完整透明的3D大腦，大腦中的神經元、軸突、樹突、突觸、蛋白、核酸等等都完好的維持在原位。

研究人員構建了表達熒光蛋白的小鼠，并用CLARITY成像了它的整個大腦。他們用傳統顯微鏡展示了其中的發光信息，例如蛋白嵌入細胞膜和單個神經纖維。又通過電鏡揭示了其中的精細結構，例如突觸。

研究還顯示，在CLARITY處理的小鼠大腦中，熒光抗體能夠使其特異性結合的目標發光。在這一系統中，人們可以追溯神經環路，解析局部環路的細微差異，觀察細胞間的和分析亞細胞結構。此外，人們還可以利用這一技術，探尋蛋白復合體、核酸和神經遞質之間的化學關聯。

這項技術的另一個重要亮點在于，人們可以去除已染色的熒光抗體，并用其他抗體進行重新染色，以便在同一個大腦中研究不同的分子目標。研究顯示，這種染色/退色過程可以重復多次。

研究人員還通過CLARITY技術，分析了一個孤獨癥患者死后的大腦標本。盡管該標本已經用甲醛保存了六年，CLARITY技術仍能幫助人們研究其中的神經纖維、神經元細胞體及其延伸部分。