WHOLISTIC ger en helkroppsbild av cellsignaler i levande zebrafisk

Kroppens fysiologi fungerar sällan organ för organ. Nervaktivitet, blodcirkulation, matsmältning och sinnesintryck kan förändras parallellt och påverka varandra. Ändå har levande avbildning ofta varit begränsad till en vävnad eller ett organ i taget.

Det är problemet som WHOLISTIC är byggt för att angripa. Namnet står för WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity. Tekniken använder genomskinliga unga zebrafiskar, Danio rerio, och kombinerar snabb tredimensionell fluorescensavbildning, genetiskt kodade kalciumsensorer och datoranalys. Resultatet är att forskare kan följa föränderliga cellulära signaler i stora delar av kroppen på sekunders skala. 2

Så fungerar metoden

Zebrafisklarver är genomskinliga, vilket gör att inre vävnader kan avbildas optiskt medan djuret lever. Fiskarna bär kalciumsensorer i många celler. När kalciumhalten i cellerna förändras ändras fluorescensen, vilket ger ett indirekt mått på förändringar i cellernas tillstånd och aktivitet.

Det är en viktig begränsning: kalciumsignaler visar samvariation i cellulär dynamik. De visar inte i sig direkta synaptiska kopplingar, och de bevisar inte att en viss cell fick en annan att reagera. 2

WHOLISTIC samlar tre delar i ett arbetsflöde:

• Volymetrisk fluorescensmikroskopi tar upp återkommande tredimensionella bilder av hela fisken, i stället för att bara följa ett enskilt bildplan. 2
• Kalciummärkning i många celltyper gör det möjligt att se aktivitet i flera organsystem, inte bara i nervceller. 2
• Beräkningsanalys och maskininlärning hjälper till att hitta aktiva cellstrukturer och ordna de stora datamängderna i mönster som går att tolka. 2

Det centrala skiftet är alltså både tekniskt och biologiskt: aktivitet i hela kroppen kan undersökas som ett samordnat system. Möjliga kopplingar mellan organ kan synas i samma experiment. 2

Vad forskarna kunde se

Syrebrist och omfördelat blodflöde

Vid låg syrehalt visade WHOLISTIC samordnad aktivitet i samband med förändringar i blodcirkulationen, där blodflödet omfördelades. I Janelias WHOLISTIC-galleri syns minskat blodflöde i mesenteriet – vävnadsområdet kring tarmarna – under hypoxi, samtidigt som flödet mot hjärnan och hjärtat ökar. 8

Observationen gör det möjligt att studera nervsystemets och hjärt-kärlsystemets svar i samma levande djur. Den stödjer bilden av en samordnad respons som prioriterar syretillförsel till vitala organ. Den exakta orsakskedjan måste däremot prövas med mer riktade experiment. 28

Ryggmärg och ependymceller

Plattformen upptäckte också samordnade mönster i ryggmärgen och i ependymceller, celler som klär hjärnans ventrikelsystem. Det pekar mot aktivitetsmönster som ligger utanför mer traditionella, neuroncentrerade kartor. 2

Ependymcellernas aktivitetsmönster kan vara relevanta för fysiologi kopplad till sömn, men det är än så länge en hypotes. Kalciumkorrelationer räcker inte för att fastslå en funktion i sömn. Metoden kan däremot identifiera kandidater i flera vävnader, som sedan kan testas med mer selektiva experiment. 2

Ketamin över vävnadsgränser

Läkemedel kan påverka flera celltyper och anatomiska områden samtidigt. När forskarna studerade akut exponering för ketamin med WHOLISTIC såg de effekter som berörde både nervvävnad och hjärnhinnorna, meninges. 2

Det visar metodens praktiska styrka. En mätning som bara fokuserar på nervceller riskerar att missa reaktioner i intilliggande vävnad som inte är nervvävnad. Helkroppsavbildning gör sådana effekter över vävnadsgränser synliga i samma försök. 2

Broskassocierade celler som reagerar på kyla

Vid nedkylning observerades kalciumsvar i celler kopplade till brosk. Det antyder att temperaturrelaterad aktivitet inte nödvändigtvis är begränsad till nervsystemet och visar hur bred cellulär avbildning kan hitta oväntade kandidater till sensoriska funktioner i andra vävnader. 2

Varför WHOLISTIC är betydelsefullt

WHOLISTIC bygger vidare på tidigare helhjärneavbildning i zebrafisk. Redan 2013 visade sådan avbildning att det går att registrera nervaktivitet över hela zebrafiskens hjärna samtidigt. Den nya metoden vidgar perspektivet till flera organsystem och celltyper på en gång. 52

Det är särskilt värdefullt för frågor där biologin spänner över flera system: hur hjärnan samordnar cirkulationen vid stress, hur läkemedel påverkar både nervvävnad och annan vävnad eller hur sinnessignaler representeras utanför etablerade nervbanor. Metoden påstår inte att den ger en komplett kausal karta. I stället skapar den en karta över aktivitet i hela kroppen och pekar ut samband som är värda att testa vidare. 2

En metod som kan byggas ut

Janelia beskriver arbetet som en resurs som förenar avancerad mikroskopi och beräkningsanalys. WHOLISTIC-webbplatsen innehåller också visualiseringar, bland annat av hur blodflödet förändras vid syrebrist. 28

Arbetssättet kan på sikt få användning även utanför zebrafisklarver. Danionella är särskilt intressant eftersom fisken förblir mycket liten även som vuxen, vilket möjliggör registrering av aktivitet från hela den mer utvecklade hjärnan och studier av en rikare beteenderepertoar. Separat rapporterar Janelia att deras helkroppsmetod för expansionsmikroskopi fungerar på mogna Danionella-prover. 114

Den avgörande reservationen kvarstår: kalciumavbildning fångar korrelerad cellulär dynamik, inte i sig direkt koppling, varje molekylär mekanism eller säker kausalitet. WHOLISTICs främsta styrka är att den gör hypoteser om samspel mellan organ observerbara i en levande ryggradsdjurskropp, på en skala som tidigare varit svår att nå. 2