Et nytt vindu inn i hvordan hele kroppen samarbeider

Kroppen fungerer ikke som en samling isolerte organer. Nervesystemet, blodomløpet, fordøyelsen og sanseapparatet kan endre seg parallelt – men levende avbildning har som regel vært begrenset til ett vev eller ett organ om gangen.

Det er dette gapet WHOLISTIC er laget for å fylle. Navnet står for WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity, og metoden lar forskere registrere tidsvarierende celleaktivitet i store deler av kroppen til en levende, ung sebrafisk (Danio rerio). Systemet kombinerer rask 3D-fluorescensavbildning, genkodede kalsiumsensorer og databasert analyse, og kan følge dynamikken på sekunderskala. 2

Slik fungerer WHOLISTIC

Sebrafisklarver er gjennomsiktige, noe som gir optisk innsyn i indre vev. Fiskene er utstyrt med kalsiumsensorer i et bredt spekter av celler. Når mengden kalsium i cellene varierer, endres fluorescensen – et mål forskerne kan bruke som indikator på intracellulær aktivitet. Kalsiumsignaler er nyttige for å beskrive endringer i cellers tilstand, men de viser ikke direkte synaptiske koblinger og beviser ikke at én celle har forårsaket responsen i en annen. 2

WHOLISTIC samler tre hovedelementer i én arbeidsflyt:

• Volumetrisk fluorescensmikroskopi tar gjentatte tredimensjonale bilder av hele dyret, i stedet for å se på ett enkelt snitt. 2
• Kalsiummerking på tvers av mange celletyper gjør det mulig å observere aktivitet også utenfor nervecellene og på tvers av organsystemer. 2
• Databehandling og maskinlæring bidrar til å finne cellestrukturer med aktivitet og gjøre de store opptakene om til mønstre som kan tolkes. 2

Resultatet er sanntidsregistreringer av cellulær dynamikk i hele organismen. Det sentrale fremskrittet er ikke bare teknisk: Forskerne kan nå se etter mulige koblinger mellom organer i det samme forsøket. 2

Hva helkroppsavbildningen viste

Oksygenmangel endret fordelingen av blodstrøm

Under forhold med lite oksygen avdekket WHOLISTIC samordnet aktivitet knyttet til endringer i sirkulasjonen, inkludert omfordeling av blodstrømmen. Janelias WHOLISTIC-galleri viser redusert blodstrøm i mesenteriet – vevet som holder tarmen på plass – under hypoksi, samtidig som mer blod ble ledet mot hjernen og hjertet. 8

Slike observasjoner gjør det mulig å studere nerve- og hjerte-kar-responser i samme levende dyr. Funnene er forenlige med at kroppen prioriterer oksygentilførselen til livsviktige organer, men den nøyaktige årsakskjeden må fortsatt testes med mer målrettede forsøk. 28

Aktivitet i ryggmargen og ependymceller

Plattformen fanget også opp samordnede dynamiske mønstre i ryggmargen og i ependymceller, som kler hjernens ventrikkelsystem. Dette peker mot aktivitet som strekker seg utover de vanlige, nervecellefokuserte kartene. 2

At ependymcellenes aktivitet var knyttet til bestemte tilstander, kan gjøre dem relevante for søvnrelatert fysiologi. Men korrelasjoner i kalsiumsignaler er ikke nok til å fastslå en søvnfunksjon. WHOLISTIC kan først identifisere slike kandidater på tvers av vev, før de prøves med mer selektive eksperimenter. 2

Ketamin påvirket både nervevev og hjernehinner

Legemiddelresponser kan gå på tvers av flere celletyper og anatomiske skiller. Ved akutt eksponering for ketamin så forskerne effekter i både nervevev og hjernehinnene, meningene. 2

Det illustrerer hvorfor helkroppsperspektivet er nyttig: En måling som bare følger nerveceller, kan gå glipp av responsene i nærliggende ikke-nevralt vev. Med WHOLISTIC blir slike grenseflater mellom vev synlige i det samme forsøket. 2

Brusktilknyttede celler reagerte på kulde

Nedkjølingsforsøk avdekket dessuten kalsiumresponser i celler knyttet til brusk. Observasjonen tyder på at temperaturrelatert aktivitet ikke nødvendigvis er begrenset til nervesystemet, og viser hvordan bred celleavbildning kan avsløre uventede kandidater til sansefunksjoner i ikke-nevralt vev. 2

Hvorfor metoden er viktig

WHOLISTIC bygger videre på helhjerneavbildning i sebrafisk og utvider blikket til resten av kroppen. Tidligere arbeid med helhjerneavbildning viste at gjennomsiktige virveldyr kan brukes til storskala registrering av nevral aktivitet. Den nye tilnærmingen omfatter derimot flere organsystemer og celletyper samtidig. 52

Dette er særlig relevant når biologien krysser systemgrenser: Hvordan hjernen samordner sirkulasjonen ved stress, hvordan legemidler påvirker både nevralt og ikke-nevralt vev, eller hvordan sanseinntrykk kan representeres utenfor tradisjonelle nervebaner. Metoden hevder ikke å gi et komplett årsakskart, men den lager et aktivitetskart for hele kroppen som kan peke ut sammenhenger verdt å undersøke nærmere. 2

En retning som kan utvides

Janelia presenterer arbeidet som en ressurs basert på avansert mikroskopi og beregningsanalyse. WHOLISTIC-nettstedet inneholder også visualiseringer, blant annet av hypoksiutløst omfordeling av blodstrøm. 28

Tilnærmingen kan på sikt være interessant også i andre fiskemodeller. Danionella er svært liten selv som voksen, noe som gjør helhjerneregistrering mulig i et mer utviklet dyr med et rikere atferdsrepertoar. Janelia opplyser dessuten at deres metode for ekspansjonsmikroskopi av hele kroppen fungerer på voksne Danionella-prøver. 114

Det viktigste forbeholdet står fast: Kalsiumavbildning viser samvarierende cellulær dynamikk. Den fastslår ikke alene direkte koblinger, molekylære mekanismer eller årsakssammenhenger. WHOLISTICs styrke er at metoden gjør hypoteser om samspill mellom organer synlige i en levende virveldyrkropp på en skala som tidligere var vanskelig å nå. 2