WHOLISTIC, yaşayan zebra balığının tüm vücudundaki hücresel sinyalleri aynı anda izliyor

Vücudun fizyolojisi tek tek organların toplamından ibaret değil. Sinirsel etkinlik, dolaşım, sindirim ve duyusal yanıtlar aynı anda değişebilir; ancak canlı görüntüleme yöntemleri çoğu zaman yalnızca tek bir dokuya ya da organa odaklanır. Janelia araştırmacılarının geliştirdiği WHOLISTIC bu boşluğu hedefliyor.

Adı, WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity ifadesinin kısaltması olan yöntem, saydam genç zebra balıklarında (Danio rerio) vücut genelindeki zamana bağlı hücresel etkinliği kaydetmek için tasarlandı. Hızlı üç boyutlu floresan mikroskopi, genetik olarak kodlanmış kalsiyum sensörleri ve hesaplamalı analizi birleştiren sistem, hücre içi dinamikleri saniyeler ölçeğinde takip edebiliyor. 2

Sistem neyi ölçüyor?

Larva zebra balıklarının saydam olması, iç dokuların optik yöntemlerle incelenmesini mümkün kılıyor. Hayvanların hücrelerinde yaygın olarak bulunan kalsiyum sensörleri, hücre içi kalsiyum düzeyindeki değişimleri floresans sinyali olarak gösteriyor. Bu sinyal, hücrenin durumundaki değişim için yararlı bir gösterge; fakat iki hücre arasında doğrudan bağlantı olduğunu ya da bir hücrenin diğerini kesin olarak tetiklediğini tek başına kanıtlamıyor. 2

WHOLISTIC'in temel bileşenleri şunlar:

• Hacimsel floresan mikroskopi: Yalnızca tek bir görüntü düzlemi yerine, balığın üç boyutlu hacmini tekrar tekrar kaydediyor. 2
• Hücre geneline yayılan kalsiyum etiketleme: Gözlem sinir hücreleriyle sınırlı kalmıyor; farklı hücre tipleri ve organ sistemleri de izlenebiliyor. 2
• Hesaplamalı analiz ve makine öğrenmesi: Büyük hacimli görüntü kayıtlarındaki etkin yapıları ayırt etmeye ve verileri anlamlı örüntüler halinde düzenlemeye yardımcı oluyor. 2

Bu birleşim, araştırmacıların aynı deney içinde organlar arasında eşzamanlı gelişen etkinlikleri görmesini sağlıyor. Asıl değişim yalnızca teknik değil: Vücut, birbirinden kopuk organlar yerine eşgüdümlü çalışan bir sistem olarak incelenebiliyor. 2

Düşük oksijende kan akımı nasıl değişiyor?

WHOLISTIC ile yapılan gözlemlerden biri, düşük oksijen koşullarındaki dolaşım yanıtına ilişkin. Janelia'nın WHOLISTIC görsel arşivi, hipoksi sırasında mezenterik bölgedeki kan akımının azaldığını; buna karşılık beyin ve kalbe yönelen akımın arttığını gösteriyor. 8

Bu tür bir kayıt, sinirsel ve kardiyovasküler yanıtların tek bir canlı örnekte birlikte incelenmesini mümkün kılıyor. Bulgular, oksijenin yaşamsal organlara öncelikli biçimde ulaştırılmasına yönelik vücut çapında eşgüdümlü bir yanıtla uyumlu. Bununla birlikte, bu yeniden yönlendirmeyi oluşturan kesin nedensel devrenin hedefli deneylerle ayrıca sınanması gerekiyor. 28

Sinir hücrelerinin ötesindeki sinyaller

Platform, omurilikte ve beyin ventrikül sistemini döşeyen ependim hücrelerinde eşgüdümlü dinamikler de saptadı. Bu gözlem, etkinlik haritalarının yalnızca nöron merkezli yaklaşımlarla sınırlı tutulmaması gerektiğine işaret ediyor. 2

Ependim hücrelerindeki durumla bağlantılı etkinlik, uykuya eşlik eden fizyolojide olası bir role dair araştırma soruları doğuruyor. Ancak kalsiyum sinyalleri arasındaki korelasyon, bu hücrelerin uyku işlevini kanıtlamaz. WHOLISTIC'in değeri, bu tür aday ilişkileri vücut genelinde görünür kılması; ardından daha seçici müdahale deneyleriyle sınanabilmesidir. 2

Ketamin ve soğuğa verilen beklenmedik yanıtlar

İlaçların etkisi çoğu zaman tek bir hücre türüyle veya anatomik bölmeyle sınırlı değildir. Araştırmacılar, akut ketamin maruziyetinde hem sinir dokusunu hem de beyin zarlarını, yani meninksleri kapsayan etkiler gözlemledi. 2

Bu sonuç, yalnızca nöronları ölçen bir yaklaşımın yakınındaki sinir dışı dokulardaki yanıtları kaçırabileceğini gösteriyor. Vücut genelinde görüntüleme, doku sınırlarını aşan bu etkileri aynı deneyde değerlendirmeye imkân tanıyor. 2

Soğutma deneylerinde ise kıkırdakla ilişkili hücrelerde kalsiyum yanıtları tespit edildi. Bu gözlem, sıcaklıkla bağlantılı etkinliğin sinir sistemiyle sınırlı olmayabileceğini düşündürüyor ve sinir dışı dokuların olası duyusal rollerini araştırmak için yeni bir başlangıç noktası sunuyor. 2

Neden önemli?

WHOLISTIC, zebra balığındaki tüm beyin görüntüleme çalışmalarının yaklaşımını vücudun geri kalanına genişletiyor. Zebra balıklarında tüm beynin eşzamanlı kaydına yönelik çalışmalar, saydam omurgalılarda geniş ölçekli sinirsel kayıtların mümkün olduğunu daha önce göstermişti. Yeni yöntem ise aynı bakışı birden çok organ sistemi ve hücre tipine taşıyor. 52

Bu, özellikle biyolojinin organlar arasına yayıldığı sorular için önemli: Stres altında beynin dolaşımı nasıl düzenlediği, ilaçların sinirsel ve sinir dışı dokuları birlikte nasıl etkilediği ya da duyusal sinyallerin geleneksel sinir yolları dışındaki temsili gibi. Yöntem, tamamlanmış bir nedensellik haritası sunduğunu iddia etmiyor; test edilmeye değer ilişkileri ortaya çıkaran vücut çapında bir etkinlik haritası sağlıyor. 2

Danionella ile daha ileriye uzanan olasılık

Janelia, çalışmayı ileri mikroskopi ve hesaplamalı analize dayalı bir araştırma kaynağı olarak sunuyor; WHOLISTIC sitesi, hipoksiyle ilişkili dolaşım değişimleri gibi sonuçların görselleştirmelerini de içeriyor. 28

Yaklaşım, larva zebra balığının ötesinde de yararlı olabilir. Ergin haldeyken de çok küçük kalan Danionella, daha gelişmiş davranış repertuvarlarını incelemek açısından özellikle umut verici bir model. Janelia'ya göre bu balığın erişkin beyninde tüm beyin etkinliği kaydedilebiliyor; ayrıca kurumun tüm vücut genişleme mikroskopisi iş akışı olgun Danionella örneklerinde de çalışıyor. 114

Yine de temel sınır net: Kalsiyum görüntüleme, doğrudan sinaptik bağlantıyı, tüm moleküler mekanizmaları veya nedenselliği tek başına göstermez. WHOLISTIC'in güçlü yanı, yaşayan bir omurgalıda organlar arası fizyolojik hipotezleri daha önce erişilmesi zor bir ölçekte gözlemlenebilir hale getirmesidir. 2