WHOLISTIC Membolehkan Saintis Melihat Isyarat Sel di Seluruh Tubuh Ikan Zebra Hidup

Fisiologi tidak berlaku dalam satu organ sahaja. Aktiviti saraf, peredaran darah, pencernaan dan tindak balas deria boleh berubah serentak—namun kebanyakan kaedah pengimejan hidup lazimnya hanya meneliti satu tisu atau satu organ pada satu masa.

Itulah jurang yang cuba ditutup oleh WHOLISTIC, singkatan bagi WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity. Sistem ini dibangunkan untuk larva ikan zebra (Danio rerio) yang lut sinar. Ia menyatukan pengimejan pendarfluor 3D berkelajuan tinggi, penderia kalsium yang dikodkan secara genetik dan analisis pengiraan bagi merakam aktiviti sel yang berubah mengikut masa di seluruh tubuh, pada skala beberapa saat. 2

Bagaimana WHOLISTIC berfungsi

Larva ikan zebra sesuai untuk pendekatan ini kerana tubuhnya yang lut sinar membolehkan tisu dalaman dilihat secara optik. Haiwan ini mengekspresikan penderia kalsium secara meluas dalam sel. Perubahan pendarfluoran menjadi petunjuk kepada dinamik kalsium dalam sel.

Aktiviti kalsium ialah proksi yang berguna untuk perubahan keadaan sel, tetapi ia bukan ukuran langsung sambungan sinaps dan tidak membuktikan bahawa satu sel menjadi punca sel lain bertindak balas. 2

Kemajuan utama WHOLISTIC ialah aliran kerja bersepadu yang merangkumi:

• Mikroskopi pendarfluor volumetrik untuk menangkap pandangan tiga dimensi berulang kali, bukan hanya satu satah imej. 2
• Pelabelan kalsium merentas sel yang membolehkan aktiviti diperhatikan dalam pelbagai jenis sel dan sistem organ, bukan neuron sahaja. 2
• Pemprosesan pengiraan serta pembelajaran mesin untuk mengenal pasti struktur sel yang aktif dan menyusun rakaman berskala besar menjadi corak yang lebih mudah ditafsir. 2

Gabungan ini membolehkan dinamik selular direkodkan secara masa nyata di seluruh organisma. Perubahannya bukan sekadar pada teknologi: penyelidik kini boleh melihat aktiviti seluruh badan sebagai sistem yang saling berkoordinasi, lalu mengenal pasti kemungkinan kaitan antara organ dalam eksperimen yang sama. 2

Apa yang didedahkan oleh pengimejan seluruh tubuh

Oksigen rendah dan pengalihan aliran darah

Dalam keadaan oksigen rendah atau hipoksia, WHOLISTIC menunjukkan aktiviti terkoordinasi yang berkaitan dengan perubahan peredaran darah, termasuk pengalihan aliran darah. Galeri WHOLISTIC Janelia memperlihatkan aliran darah yang berkurang di kawasan mesenterik semasa hipoksia, di samping peningkatan aliran ke arah otak dan jantung. 8

Pemerhatian seperti ini membolehkan tindak balas saraf dan kardiovaskular dikaitkan dalam satu persediaan eksperimen. Ia menyokong idea bahawa respons seluruh tubuh yang terselaras membantu mengutamakan penghantaran oksigen kepada organ penting. Namun, litar sebab-akibat yang tepat masih perlu diuji melalui eksperimen susulan yang lebih khusus. 28

Dinamik saraf tunjang dan sel ependima

Platform ini turut mengenal pasti dinamik yang terselaras pada saraf tunjang serta sel ependima, iaitu sel yang melapisi sistem ventrikel. Pemerhatian tersebut menunjukkan corak aktiviti yang melangkaui peta biologi yang lazimnya berpusat pada neuron. 2

Dapatan ini menjana hipotesis baharu: aktiviti sel ependima yang berkait dengan keadaan fisiologi mungkin mempunyai kaitan dengan proses yang berhubung dengan tidur. Namun, korelasi kalsium semata-mata belum membuktikan bahawa sel tersebut memang mempunyai fungsi tidur. WHOLISTIC membantu mencari calon hubungan sedemikian merentas tisu sebelum ia diuji dengan gangguan eksperimen yang lebih terpilih. 2

Kesan ketamin merentasi sempadan tisu

Tindak balas terhadap ubat boleh tersebar merentasi pelbagai jenis sel dan ruang anatomi. Dengan WHOLISTIC, penyelidik meneliti pendedahan akut kepada ketamin dan melihat kesan yang melibatkan kedua-dua tisu saraf serta meninges—lapisan membran yang menyelubungi otak dan saraf tunjang. 2

Ini menggambarkan nilai praktikal sistem tersebut: ukuran yang hanya menumpukan neuron mungkin terlepas tindak balas pada tisu bukan saraf yang bersebelahan. Pengimejan seluruh badan menjadikan kesan merentasi sempadan tisu dapat dilihat dalam eksperimen yang sama. 2

Sel berkaitan rawan yang peka terhadap sejuk

Eksperimen penyejukan turut mendedahkan respons kalsium dalam sel yang berkaitan dengan rawan. Pemerhatian itu menunjukkan aktiviti berkait suhu mungkin tidak terhad kepada sistem saraf, sambil memperlihatkan bagaimana pengimejan luas pada tahap sel boleh menemukan peranan deria berpotensi dalam tisu bukan neuron. 2

Mengapa WHOLISTIC penting

WHOLISTIC meluaskan logik pengimejan seluruh otak ikan zebra kepada seluruh badan. Pengimejan seluruh otak ikan zebra sebelum ini telah menunjukkan bahawa vertebrata lut sinar boleh menyokong rakaman aktiviti saraf berskala besar; pendekatan baharu ini memperluas pandangan itu kepada beberapa sistem organ dan jenis sel secara serentak. 52

Ini penting bagi persoalan biologi yang melibatkan lebih daripada satu sistem: bagaimana otak menyelaras peredaran darah ketika tekanan, bagaimana ubat memberi kesan kepada tisu saraf dan bukan saraf, atau bagaimana isyarat deria diwakili di luar laluan saraf tradisional. Kaedah ini tidak mendakwa telah menghasilkan peta sebab-akibat yang lengkap. Sebaliknya, ia membina peta aktiviti seluruh badan untuk mengenal pasti hubungan yang wajar diuji. 2

Arah pengimejan yang terbuka dan boleh diperluas

Janelia mempersembahkan kerja asas ini sebagai sumber yang dibina berasaskan mikroskopi canggih dan analisis pengiraan. Laman WHOLISTIC juga menyediakan visualisasi hasil, termasuk perubahan peredaran yang berkait dengan hipoksia. 28

Pendekatan ini juga mungkin berguna melangkaui larva ikan zebra. Danionella ialah model yang menjanjikan kerana ikan dewasanya kekal sangat kecil, sekali gus membolehkan rakaman seluruh otak dan penyelidikan terhadap himpunan tingkah laku yang lebih berkembang. Secara berasingan, Janelia melaporkan aliran kerja mikroskopi pengembangan seluruh tubuhnya turut berfungsi pada sampel Danionella matang. 114

Peringatan utamanya kekal penting: pengimejan kalsium menunjukkan dinamik sel yang berkorelasi. Ia tidak dengan sendirinya membuktikan sambungan langsung, mengenal pasti setiap mekanisme molekul atau menetapkan sebab-akibat. Kekuatan WHOLISTIC ialah menjadikan hipotesis rentas organ dapat diperhatikan pada skala yang sebelum ini sukar dicapai dalam vertebrata hidup. 2