WHOLISTIC näyttää solujen viestinnän lähes koko elävässä seeprakalanpoikasessa

Elimistön fysiologia ei noudata elinrajoja: hermoston toiminta, verenkierto, ruoansulatus ja aistivasteet voivat muuttua yhtä aikaa. Eläviä kudoksia kuvataan silti usein yksi elin tai kudos kerrallaan. WHOLISTIC – WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity – on kehitetty paikkaamaan tätä aukkoa läpinäkyvissä nuorissa seeprakaloissa (Danio rerio). Menetelmä yhdistää nopean 3D-fluoresenssikuvauksen, geneettisesti koodatut kalsiumanturit ja laskennallisen analyysin. Näin solujen ajassa muuttuvaa toimintaa voidaan tallentaa koko elimistössä sekuntien aikaskaalassa. 2

Näin WHOLISTIC toimii

Tutkimuksessa käytetään seeprakalan toukkia, joiden läpinäkyvyys antaa mahdollisuuden nähdä optisesti eläimen sisäisiä kudoksia. Kaloissa ilmentyy laajasti kalsiumantureita: fluoresenssin muutokset toimivat lukemana solunsisäisen kalsiumin vaihteluille. Kalsiumaktiivisuus kertoo hyödyllisesti solun tilan muutoksista, mutta se ei mittaa suoraan synaptisia yhteyksiä eikä yksin osoita, että yksi solu olisi aiheuttanut toisen vasteen. 2

WHOLISTICin keskeinen edistysaskel on yhtenäinen työnkulku:

• Tilavuusfluoresenssimikroskopia tuottaa toistuvasti kolmiulotteisen näkymän eläimestä yhden kuvaustason sijaan. 2
• Laaja-alainen, solujen kalsiummerkintä mahdollistaa toiminnan tarkastelun eri solutyypeissä ja elinjärjestelmissä, ei vain hermosoluissa. 2
• Laskennallinen käsittely ja koneoppiminen auttavat tunnistamaan aktiivisia solurakenteita ja jäsentämään laajat tallenteet tulkittaviksi toimintamalleiksi. 2

Yhdessä nämä osat mahdollistavat soludynamiikan reaaliaikaisen tallentamisen koko eläimestä. Muutos on myös tutkimuksellinen: elinten välisiä mahdollisia yhteyksiä voidaan tarkastella samassa kokeessa osana koordinoitua kokonaisuutta. 2

Mitä koko elimistön kuvaus paljasti

Vähähappisuus ohjaa verenvirtausta uudelleen

Vähähappisissa oloissa WHOLISTIC paljasti verenkierron muutoksiin liittyvää koordinoitua toimintaa, mukaan lukien verenvirtauksen uudelleenohjautumisen. Janelian WHOLISTIC-galleriassa hypoksian aikana verenvirtaus vähenee mesenteriaalisella alueella, samalla kun virtausta suuntautuu enemmän kohti aivoja ja sydäntä. 8

Havainto yhdistää hermoston ja sydän- ja verenkiertoelimistön vasteita samassa eläimessä. Se tukee ajatusta koko elimistön yhteistoiminnasta, jossa hapen kuljetusta painotetaan elintärkeille elimille. Tarkka syy-seurausketju on kuitenkin selvitettävä kohdennetuilla jatkokokeilla. 28

Selkäytimen dynamiikka ja ependyymisolut

Alusta tunnisti myös koordinoitua toimintaa selkäytimessä ja ependyymisoluissa, jotka verhoavat aivokammiojärjestelmää. Havainnot viittaavat siihen, että merkitykselliset toimintakuviot ulottuvat perinteisiä, hermosoluihin keskittyviä karttoja laajemmalle. 2

Löydös synnyttää jatkotutkimuksen hypoteesin: tilaan liittyvä ependyymisolujen aktiivisuus voi olla merkityksellistä uneen liittyvässä fysiologiassa. Pelkät kalsiumsignaalien korrelaatiot eivät kuitenkaan todista solujen tehtävää unessa. WHOLISTICin avulla tällaisia ehdokkaita voidaan tunnistaa useista kudoksista ja testata myöhemmin valikoivammilla häirintäkokeilla. 2

Ketamiinin vaikutukset ylittävät kudosrajat

Lääkkeen vaikutukset voivat jakautua moniin solutyyppeihin ja anatomisiin osastoihin. WHOLISTICilla tutkittiin akuuttia ketamiinialtistusta, ja vaikutuksia havaittiin sekä hermokudoksessa että aivokalvoissa. 2

Tulos havainnollistaa menetelmän käytännön arvoa: vain hermosoluihin kohdistuva mittaus voisi sivuuttaa viereisten, ei-hermostollisten kudosten vasteita. Koko elimistön kuvaus tuo kudosrajat ylittävät vaikutukset näkyviin samassa kokeessa. 2

Jäähdytykseen reagoivat rustoon liittyvät solut

Jäähdytyskokeissa havaittiin kalsiumvasteita myös rustoon liittyvissä soluissa. Havainto viittaa siihen, ettei lämpötilaan liittyvä aktiivisuus rajoitu hermostoon. Samalla se osoittaa, miten laaja solukuvaus voi nostaa esiin odottamattomia, ei-hermostollisten kudosten mahdollisia aistirooleja. 2

Miksi menetelmä on merkittävä

WHOLISTIC laajentaa seeprakaloissa jo käytetyn koko aivojen kuvauksen periaatteen muuhun elimistöön. Koko aivojen kuvaus osoitti aiemmin, että läpinäkyvissä selkärankaisissa voidaan tallentaa laajasti hermoston toimintaa; uudempi menetelmä tuo samaan näkymään useita elinjärjestelmiä ja solutyyppejä. 52

Tämä on tärkeää kysymyksissä, joissa biologinen ilmiö ylittää järjestelmärajat: miten aivot koordinoivat verenkiertoa stressissä, miten lääkkeet vaikuttavat hermostollisiin ja ei-hermostollisiin kudoksiin tai miten aistisignaaleja edustuu hermoston ulkopuolella. Menetelmä ei väitä muodostavansa täydellistä syykarttaa, vaan tuottaa koko elimistön aktiivisuuskartan, joka auttaa tunnistamaan testattavia yhteyksiä. 2

Laajennettavissa oleva kuvaussuunta

Janelia esittelee työtä kehittyneeseen mikroskopiaan ja laskennalliseen analyysiin pohjautuvana tutkimusresurssina. WHOLISTIC-sivustolla on myös visualisointeja, kuten hypoksiaan liittyvästä verenvirtauksen muutoksesta. 28

Lähestymistapa voi soveltua myös seeprakalan toukkavaiheen ulkopuolelle. Danionella on erityisen kiinnostava mallieläin, koska se säilyy aikuisenakin hyvin pienenä ja sen koko aivojen toiminnan tallentaminen on mahdollista. Tämä tukee monimutkaisempien, kehittyneempään käyttäytymiseen liittyvien kysymysten tutkimista. Janelia on lisäksi raportoinut, että sen koko elimistön laajennusmikroskopian työnkulku toimii kypsillä Danionella-näytteillä. 114

Keskeinen rajoitus on hyvä pitää mielessä: kalsiumkuvaus näyttää solujen samanaikaisia ja toisiinsa liittyviä dynamiikkoja. Se ei yksin todista suoria yhteyksiä, tunnista kaikkia molekyylimekanismeja eikä vahvista syy-yhteyttä. WHOLISTICin vahvuus on siinä, että se tekee elinten väliset hypoteesit havaittaviksi mittakaavassa, johon elävässä selkärankaisessa on aiemmin ollut vaikea päästä. 2