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SCIENTIFIC AMERICAN October 2016

A Look Inside the Brain

透明化で見えた脳回路 CLARITY法の衝撃

By Karl Deisseroth K. ダイサーロス
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Our nervous system is like a tapestry of sorts, woven with interconnecting threads. These threads, the thin fibers known as axons that extend out from neurons, carry electrical information from individual nerve cells to other neurons that receive the signals. Long-range projecting axons, like the structural “warp” threads in a textile, interweave with the brain’s own version of crossing, or “weft” fibers: axons that wind back and forth over short distances, transmitting signals to perform computations.  私たちの神経系は相互に連結する糸で織られたタペストリーに似ている。その糸はニューロンから伸びる「軸索」という細い線維で,個々の神経細胞が発する電気的情報をその信号の受け手である別のニューロンに伝えている。遠くまで投射している軸索は,織物でいえば構造的な縦糸に相当し,横糸と織り合わされている。脳で横糸となっている軸索は,短距離を往復するように屈曲して,計算処理に必要な信号を伝えている。
To understand the inner workings of the brain, scientists need to decipher how this neural tapestry is organized at the level of individual elements, such as an individual axon. But to understand the role of an axon, we would also like a global perspective spanning the entire brain that somehow does not lose sight of the single, threadlike axon and its context. To gain such a view, one needs a special kind of tool because the brain is not flat like woven cloth, nor is it transparent. Fat molecules (lipids) throughout the brain, particularly in cell membranes, cause light from imaging devices to scatter and thus greatly hinder our view beyond the most superficial layer of cells into the profound depths of the brain.  脳の働きを理解するには,この神経のタペストリーがどのように組織されているかを,1本1本の軸索など個々の構成要素のレベルで解き明かす必要がある。だが1本の軸索の役割を理解するには,糸のようなその軸索と周囲のつながりを見失うことなく,脳全体を見渡す広い眺めも必要だ。そうした全体像を得るには特別な手法がいる。脳は織物のように平らではなく,透明でもないからだ。脳全体に存在する脂肪分子(脂質),とりわけ細胞膜に含まれるものが撮影装置からの光を散乱させるため,脳の最表層を除き,それより奥の領域はほとんど見えない。
Now a new technology has opened exciting vistas for neuroscientists, creating a way to see into the intact brain—and to both determine the trajectories and define the molecular properties of individual connecting fibers that weave through the brain’s intricate inner workings. This method is built on the chemistry of hydrogels, polymers that form a three-dimensional network of connected compartments able to retain water without dissolving. It is used to create 3-D polymer endoskeletons within biological tissue. In this three-step process, a transparent gel is first formed within the laboratory animal or postmortem human brain itself, linked to and thus protecting the brain’s key information-rich molecular parts, including proteins and nucleic acids (DNA and RNA). This step is followed by the removal of the tissue components that are not of interest or that scatter light, such as lipids. Finally, by introducing a multitude of fluorescent labels and other markers throughout this structure—in addition to being transparent, the gel is de­­signed to allow fast infusion of these probes—scientists can light up and directly visualize diverse fibers and molecules of interest at very high resolution throughout the intact brain.  だが,新技術によって素晴らしい展望が開かれた。元と同じ構造を保った“無傷”の脳の内部を見て,複雑な内部機構に織り込まれている神経線維の道筋と分子的特徴の両方を明らかにする方法だ。この方法はハイドロゲルというポリマーの化学に基づいている。ハイドロゲルは各部分が3次元の網目状につながったポリマーで,そのネットワーク中に水を保持できる。これを使って生体組織の内部に3次元ポリマーの内骨格を作る。
 処理は3段階からなる。まず実験動物または遺体から提供された脳の内部で透明なゲルを形成し,タンパク質や核酸(DNAとRNA)など重要な分子とつなげてそれらを保護する。次に,調査対象以外の組織成分や脂質など光を散乱させる要素を除去する。最後に,この構造全体に蛍光標識など多数のマーカーを導入する。このゲルは透明なうえこれらのプローブを素早く取り込むように設計してあり,調べたい様々な神経線維や分子を光らせて,無傷の脳を広域にわたって非常に高い分解能で直接可視化できる。
This newfound ability to see into the depths of the body’s master controller is leading to numerous insights. Scientists are using this approach to link physical form with behavioral function of neural pathways involved in action and cognition, ranging from movement to memory. This method has also helped elucidate processes that contribute to parkinsonism, Alzheimer’s disease, multiple sclerosis, autism, drug abuse, and fear and anxiety disorders. We even helped start a company to explore tissue-hydrogel applications for cancer diagnosis. This method is now being applied beyond the brain to diverse organs and tissues across the entire body.  この新手法は脳について数多くの知見をもたらしつつある。例えば運動から記憶まで様々な行動と認知に関与している神経経路について,その物理的形状と機能を関連づける研究に使われている。また,パーキンソン病やアルツハイマー病,多発性硬化症,自閉症,薬物乱用,恐怖症や不安障害に関与する過程を解明するのにも役立っている。私たちはさらに,この組織・ハイドロゲル技術をがんの診断に応用する会社の設立にも協力した。この方法はいまや脳だけでなく,全身の様々な臓器や組織に適用されている。