WHOLISTIC показує, як органи «спілкуються» в живій рибці даніо

Фізіологія не працює «по одному органу за раз»: нервова активність, кровообіг, травлення й реакції на зовнішні подразники можуть змінюватися синхронно. Проте більшість методів візуалізації живих організмів досі давали змогу стежити лише за однією тканиною чи органом.

WHOLISTIC — скорочення від WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity — створили саме для подолання цього обмеження. Система дає змогу реєструвати динаміку клітинної активності в усьому тілі прозорих молодих рибок даніо (Danio rerio) на часовому масштабі секунд. Для цього вона поєднує швидку 3D-флуоресцентну мікроскопію, генетично закодовані кальцієві сенсори та обчислювальний аналіз. 2

Як працює WHOLISTIC

Личинки даніо прозорі, тому їхні внутрішні тканини доступні для оптичного спостереження. У тварин використовують кальцієві сенсори, що експресуються в широкому спектрі клітин. Зміни флуоресценції слугують показником внутрішньоклітинної динаміки кальцію.

Кальцієва активність є корисним індикатором зміни стану клітини, однак її не слід плутати з безпосереднім вимірюванням синаптичних зв’язків. Вона також сама по собі не доводить, що одна клітина спричинила відповідь іншої. 2

Робочий процес WHOLISTIC складається з кількох елементів:

• Об’ємна флуоресцентна мікроскопія багаторазово створює тривимірне зображення тіла, а не лише один оптичний зріз. 2
• Кальцієве маркування клітин різних типів дає змогу бачити активність не тільки нейронів, а й клітин інших органів і систем. 2
• Обчислювальна обробка та машинне навчання допомагають виявляти клітинні структури з активними сигналами й перетворювати великі записи на зрозумілі карти активності. 2

Головна перевага тут не лише технічна. Дослідники можуть в одному експерименті шукати потенційні зв’язки між органами — тобто розглядати організм як скоординовану систему, а не як набір ізольованих частин. 2

Що показало спостереження за всім тілом

Гіпоксія: кров спрямовується до мозку й серця

За низького рівня кисню WHOLISTIC зафіксувала узгоджені зміни, пов’язані з перебудовою кровообігу. У галереї Janelia показано, що за гіпоксії зменшується кровотік у ділянці брижі, водночас посилюється спрямування крові до мозку та серця. 8

Таке спостереження дозволяє в одному препараті пов’язувати реакції нервової та серцево-судинної систем. Воно узгоджується з припущенням, що організм за нестачі кисню пріоритетно забезпечує ним життєво важливі органи. Але точний причинний механізм цієї реакції ще потребує цільових експериментів. 28

Спинний мозок і епендимні клітини

Платформа також виявила скоординовану динаміку в спинному мозку та в епендимних клітинах — клітинах, що вистилають шлуночкову систему мозку. Це вказує, що важливі патерни активності можуть виходити за межі звичних карт, зосереджених винятково на нейронах. 2

Дослідники розглядають пов’язану зі станами організму активність епендимних клітин як можливу підказку щодо фізіології сну. Однак це саме гіпотеза: кореляції кальцієвих сигналів не доводять, що ці клітини виконують функцію в регуляції сну. WHOLISTIC допомагає знайти такі кандидати, після чого їх можна перевірити точнішими експериментами. 2

Кетамін діє по обидва боки тканинної межі

Відповідь на лікарські речовини може охоплювати різні типи клітин і анатомічні ділянки. Під час дослідження гострого впливу кетаміну WHOLISTIC виявила зміни і в нервовій тканині, і в мозкових оболонках. 2

Це демонструє практичну цінність підходу: спостереження тільки за нейронами могло б пропустити реакції сусідніх ненервових тканин. Візуалізація всього тіла робить такі ефекти видимими одночасно. 2

Клітини, пов’язані з хрящем, реагують на холод

Експерименти з охолодженням також виявили кальцієві відповіді в клітинах, пов’язаних із хрящем. Це свідчить, що реакції на температуру можуть не обмежуватися нервовою системою, і показує, як широке клітинне спостереження здатне відкрити несподівані можливі сенсорні ролі ненервових тканин. 2

Чому це важливо

WHOLISTIC поширює ідею повномасштабної візуалізації мозку рибок даніо на решту організму. Ще у 2013 році методи візуалізації всього мозку даніо дали можливість одночасно реєструвати нервову активність у ньому; новий підхід розширює поле зору на кілька систем органів і типи клітин одночасно. 52

Це важливо для запитань, де біологія принципово охоплює різні системи: як мозок координує кровообіг за стресу, як препарати впливають на нервові й ненервові тканини або як сенсорні сигнали можуть виникати поза традиційними нервовими шляхами. Метод не претендує на готову карту причинно-наслідкових зв’язків, натомість створює карту активності всього тіла, яка допомагає визначити зв’язки для подальшої перевірки. 2

Подальший розвиток

Janelia представляє WHOLISTIC як напрям, що спирається на передову мікроскопію та обчислювальний аналіз; на сайті проєкту доступні візуалізації, зокрема перебудови кровотоку під час гіпоксії. 28

Підхід може бути корисним і для інших моделей. Зокрема, перспективною є рибка Danionella: навіть у дорослому віці вона дуже мала, що відкриває можливість записувати активність у всьому розвиненому мозку й досліджувати складніші поведінкові репертуари. Окремо Janelia повідомляє, що її метод повнотільної експансійної мікроскопії працює і зі зрілими зразками Danionella. 114

Водночас ключове застереження лишається незмінним: кальцієва візуалізація показує корельовану клітинну динаміку, але не встановлює прямі зв’язки, молекулярні механізми чи причинність. Сильна сторона WHOLISTIC у тому, що вона робить міжорганні гіпотези спостережуваними у живій хребетній тварині в масштабі, який раніше був важкодоступним. 2