WHOLISTIC brengt celcommunicatie in een levende zebravislarve in kaart

Fysiologie speelt zich zelden in één orgaan af. Hersenen, bloedsomloop, spijsvertering en zintuigen kunnen gelijktijdig reageren, maar levende-beeldvorming richtte zich doorgaans op één weefsel of één orgaan tegelijk. WHOLISTIC moet die beperking doorbreken.

De naam staat voor WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity. Het systeem combineert snelle 3D-fluorescentiebeeldvorming, genetisch gecodeerde calciumsensoren en computationele analyse. Daarmee kunnen onderzoekers in transparante jonge zebravisjes veranderende celactiviteit door vrijwel het hele lichaam op een tijdschaal van seconden vastleggen. 2

Zo werkt de techniek

WHOLISTIC gebruikt larven van de zebravis (Danio rerio). Omdat deze jonge dieren doorzichtig zijn, kunnen inwendige weefsels optisch worden bekeken. De dieren brengen calciumsensoren breed in hun cellen tot expressie. Veranderingen in fluorescentie fungeren daarbij als afleesbare aanwijzing voor veranderingen in de intracellulaire calciumdynamiek. 2

Dat is een belangrijke nuance: calciumactiviteit is een nuttige maat voor veranderingen in de toestand van cellen, maar toont niet rechtstreeks synaptische verbindingen aan. Evenmin bewijst zij op zichzelf dat de ene cel de reactie van een andere veroorzaakte. 2

De technische aanpak bestaat uit drie onderdelen:

• Volumetrische fluorescentiemicroscopie legt herhaaldelijk een driedimensionaal beeld van het dier vast, in plaats van slechts één vlak. 2
• Breed aanwezige calciummarkering maakt het mogelijk activiteit in uiteenlopende celtypen en orgaansystemen te volgen, niet alleen in neuronen. 2
• Computationele verwerking en machine learning helpen actieve celstructuren te herkennen en de omvangrijke opnames te ordenen tot interpreteerbare patronen. 2

Daardoor kunnen onderzoekers cellulaire dynamiek door het hele organisme in real time bestuderen. Het gaat dus niet alleen om betere beelden: mogelijke verbanden tussen organen worden binnen één experiment zichtbaar. 2

Wat lichaamsbrede beeldvorming liet zien

Bij zuurstoftekort verschuift de bloedstroom

Onder omstandigheden met weinig zuurstof bracht WHOLISTIC gecoördineerde activiteit aan het licht die samenhing met veranderingen in de circulatie, waaronder een herverdeling van de bloedstroom. In de WHOLISTIC-galerij van Janelia is bij hypoxie minder bloedstroom in de mesenteriale regio te zien, terwijl de doorstroming richting hersenen en hart toeneemt. 8

Zo'n waarneming maakt het mogelijk neurale en cardiovasculaire reacties in hetzelfde dier met elkaar te verbinden. Zij past bij het idee dat een gecoördineerde reactie zuurstof naar vitale organen prioriteert. Welke precieze causale schakeling daarachter zit, moet nog met gerichte vervolgexperimenten worden getest. 28

Activiteit in ruggenmerg en ependymcellen

Het platform vond ook gecoördineerde dynamiek in het ruggenmerg en in ependymcellen, cellen die het ventrikelsysteem bekleden. Daarmee komt activiteit in beeld die buiten de gebruikelijke, sterk neurongerichte kaarten valt. 2

De bevinding levert vooral nieuwe hypotheses op. Toestandsgebonden activiteit in ependymcellen zou relevant kunnen zijn voor fysiologie rond slaap, maar correlaties in calciumactiviteit bewijzen geen slaapfunctie. WHOLISTIC kan zulke kandidaten door verschillende weefsels heen opsporen; daarna zijn selectievere verstoringsexperimenten nodig. 2

Ketamine werkt over weefselgrenzen heen

Reacties op geneesmiddelen kunnen zich over meerdere celtypen en anatomische compartimenten verspreiden. Met WHOLISTIC onderzochten wetenschappers acute blootstelling aan ketamine en zagen zij effecten in zowel neuraal weefsel als de hersenvliezen. 2

Dat illustreert de praktische waarde van de aanpak: wie uitsluitend neuronen meet, kan reacties in aangrenzende niet-neurale weefsels missen. Beeldvorming van het hele lichaam maakt zulke effecten over weefselgrenzen heen in hetzelfde experiment zichtbaar. 2

Kraakbeengerelateerde cellen reageren op kou

Bij afkoeling werden calciumreacties gevonden in cellen die met kraakbeen samenhangen. Dat wijst erop dat temperatuurgerelateerde activiteit niet beperkt hoeft te zijn tot het zenuwstelsel. Tegelijk laat het zien hoe brede celbeeldvorming onverwachte mogelijke sensorische functies van niet-neuronaal weefsel kan blootleggen. 2

Waarom dit van belang is

WHOLISTIC trekt de logica van beeldvorming van het volledige zebravisbrein door naar de rest van het lichaam. Eerdere whole-brain-imaging bij zebravissen liet al zien dat transparante gewervelden geschikt zijn voor grootschalige registraties van neurale activiteit. De nieuwe aanpak verbreedt dat perspectief naar meerdere orgaansystemen en celtypen tegelijk. 52

Dat is relevant voor vragen waarbij de biologie zich niet tot één systeem beperkt: hoe het brein de bloedsomloop onder stress aanstuurt, hoe medicijnen neurale én niet-neurale weefsels beïnvloeden, of hoe zintuiglijke signalen buiten klassieke neurale routes worden verwerkt. WHOLISTIC claimt geen volledige causale kaart te leveren, maar maakt wel een lichaamsbrede activiteitskaart die relaties aanwijst om vervolgens gericht te toetsen. 2

Een uitbreidbare onderzoeksrichting

Janelia presenteert het werk als een onderzoeksplatform rond geavanceerde microscopie en computationele analyse. De WHOLISTIC-site bevat onder meer visualisaties van de veranderde bloedstroom bij zuurstoftekort. 28

De aanpak kan mogelijk ook buiten zebravislarven van nut zijn. Danionella is daarvoor een interessant model: deze vis blijft ook als volwassen dier zeer klein, waardoor registratie van activiteit in het volledige ontwikkelde brein mogelijk is bij een uitgebreider gedragsrepertoire. Los daarvan meldt Janelia dat zijn whole-body-expansion-microscopyworkflow ook werkt met volwassen Danionella-monsters. 114

De centrale kanttekening blijft: calciumbeeldvorming laat samenhangende dynamiek van cellen zien, maar toont niet automatisch directe verbindingen, alle moleculaire mechanismen of causaliteit aan. De kracht van WHOLISTIC is juist dat het hypotheses over wisselwerkingen tussen organen zichtbaar maakt op een schaal die in een levend gewerveld dier tot nu toe moeilijk bereikbaar was. 2