WHOLISTIC mở ra góc nhìn toàn cơ thể về tín hiệu tế bào ở cá ngựa vằn

Sinh lý học vốn là câu chuyện của nhiều cơ quan cùng vận hành: hoạt động thần kinh, tuần hoàn, tiêu hóa và phản ứng cảm giác có thể thay đổi đồng thời. Tuy nhiên, phần lớn kỹ thuật ghi hình trên cơ thể sống trước đây chỉ theo dõi được một mô hoặc một cơ quan trong mỗi lần thí nghiệm.

WHOLISTIC — viết tắt của WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity — được phát triển để thu hẹp khoảng trống đó ở ấu trùng cá ngựa vằn (Danio rerio) trong suốt. Hệ thống kết hợp ghi hình huỳnh quang 3D tốc độ cao, cảm biến canxi mã hóa di truyền và phân tích tính toán, nhằm ghi nhận hoạt động tế bào biến thiên theo thời gian trên toàn cơ thể ở thang thời gian vài giây. 2

WHOLISTIC hoạt động ra sao?

Điểm xuất phát là ấu trùng cá ngựa vằn, loài có cơ thể trong suốt nên các mô bên trong có thể được quan sát bằng quang học. Cá được cho biểu hiện rộng rãi các cảm biến canxi trong tế bào; thay đổi cường độ huỳnh quang từ các cảm biến này cung cấp chỉ dấu về động lực canxi nội bào.

Hoạt động canxi là một đại diện hữu ích cho thay đổi trạng thái của tế bào, nhưng cần lưu ý: đây không phải phép đo trực tiếp các kết nối synapse, cũng không tự nó chứng minh tế bào này là nguyên nhân làm tế bào khác đáp ứng. 2

Quy trình WHOLISTIC tích hợp ba thành phần chính:

• Kính hiển vi huỳnh quang thể tích: ghi lặp lại một thể tích ba chiều của toàn con vật, thay vì chỉ chụp một lát cắt phẳng. 2
• Đánh dấu canxi trên diện rộng ở tế bào: cho phép quan sát nhiều loại tế bào và nhiều hệ cơ quan, không giới hạn ở neuron. 2
• Xử lý dữ liệu và học máy: hỗ trợ nhận diện cấu trúc tế bào có hoạt động, đồng thời tổ chức các bản ghi khổng lồ thành những mẫu hình có thể phân tích. 2

Nhờ đó, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi động lực tế bào theo thời gian thực trên quy mô toàn cơ thể. Điểm thay đổi quan trọng không chỉ nằm ở công nghệ, mà còn ở cách đặt câu hỏi: hoạt động của cơ thể có thể được xem như một hệ thống phối hợp, trong đó những liên hệ tiềm năng giữa các cơ quan xuất hiện trong cùng một thí nghiệm. 2

Những gì ghi hình toàn cơ thể đã hé lộ

Khi thiếu oxy, dòng máu được ưu tiên cho não và tim

Trong điều kiện thiếu oxy, WHOLISTIC cho thấy các hoạt động phối hợp liên quan đến thay đổi tuần hoàn, bao gồm sự tái phân bổ dòng máu. Thư viện hình ảnh của Janelia minh họa lưu lượng máu giảm ở vùng mạc treo khi thiếu oxy, đồng thời dòng máu hướng đến não và tim tăng lên. 8

Quan sát này giúp đặt phản ứng thần kinh và tim mạch vào cùng một khung hình. Nó phù hợp với ý tưởng rằng cơ thể phối hợp để ưu tiên đưa oxy đến các cơ quan thiết yếu, nhưng mạch nhân quả chính xác vẫn cần được kiểm tra bằng những thí nghiệm can thiệp có mục tiêu. 28

Tín hiệu ở tủy sống và tế bào ependymal

Nền tảng cũng phát hiện các động lực phối hợp ở tủy sống và ở tế bào ependymal — các tế bào lót hệ thống não thất. Những quan sát này gợi ý rằng bản đồ hoạt động sinh lý có thể mở rộng vượt ra ngoài cách nhìn vốn tập trung gần như hoàn toàn vào neuron. 2

Đây là kết quả tạo giả thuyết: hoạt động của tế bào ependymal liên quan đến một trạng thái sinh lý có thể có ý nghĩa với các quá trình gắn với giấc ngủ. Tuy vậy, tương quan tín hiệu canxi chưa đủ để khẳng định các tế bào này có chức năng trong giấc ngủ. WHOLISTIC tạo điều kiện để nhận diện các ứng viên như vậy trên nhiều mô, rồi kiểm định bằng thí nghiệm chọn lọc hơn. 2

Ketamine tác động qua ranh giới mô

Phản ứng với thuốc có thể lan qua nhiều loại tế bào và khoang giải phẫu. Khi khảo sát phơi nhiễm ketamine cấp tính, các nhà nghiên cứu quan sát thấy tác động liên quan cả mô thần kinh lẫn màng não. 2

Kết quả này cho thấy giá trị thực tế của phương pháp: nếu chỉ đo neuron, nghiên cứu có thể bỏ qua đáp ứng ở các mô không thuộc hệ thần kinh nằm ngay kế cận. Ghi hình toàn cơ thể giúp nhìn thấy các hiệu ứng vượt qua ranh giới mô trong cùng một thí nghiệm. 2

Tế bào liên quan sụn nhạy với lạnh

Các thí nghiệm làm lạnh cũng phát hiện đáp ứng canxi ở những tế bào liên quan đến sụn. Quan sát này cho thấy hoạt động gắn với nhiệt độ có thể không chỉ giới hạn trong hệ thần kinh, đồng thời minh họa cách ghi hình diện rộng có thể phát hiện những vai trò cảm nhận tiềm năng, bất ngờ ở mô không phải neuron. 2

Vì sao WHOLISTIC đáng chú ý?

WHOLISTIC mở rộng logic của ghi hình toàn não ở cá ngựa vằn sang phần còn lại của cơ thể. Ghi hình toàn não ở cá ngựa vằn trước đó đã cho thấy động vật có xương sống trong suốt có thể hỗ trợ ghi nhận quy mô lớn hoạt động thần kinh; phương pháp mới mở rộng phạm vi quan sát sang nhiều hệ cơ quan và loại tế bào cùng lúc. 52

Điều này đặc biệt hữu ích với những câu hỏi mà sinh học liên hệ nhiều hệ thống: não phối hợp tuần hoàn khi bị stress ra sao; thuốc ảnh hưởng đồng thời lên mô thần kinh và không thần kinh như thế nào; hoặc tín hiệu cảm giác được biểu diễn bên ngoài các con đường thần kinh truyền thống ra sao. Thay vì tuyên bố đã có bản đồ nhân quả hoàn chỉnh, phương pháp tạo ra bản đồ hoạt động toàn cơ thể để chỉ ra các mối liên hệ đáng được kiểm chứng tiếp. 2

Hướng phát triển mở rộng

Janelia giới thiệu công trình nền tảng như một nguồn lực dựa trên kính hiển vi tiên tiến và phân tích tính toán; trang WHOLISTIC cũng có các trực quan hóa kết quả, bao gồm hiện tượng tái phân bổ dòng máu khi thiếu oxy. 28

Cách tiếp cận này có thể còn hữu ích ngoài ấu trùng cá ngựa vằn. Danionella là một mô hình đáng chú ý vì cá trưởng thành vẫn rất nhỏ, cho phép ghi nhận hoạt động trên toàn bộ não ở giai đoạn phát triển hoàn thiện hơn và hỗ trợ nghiên cứu các hành vi phong phú hơn. 11 Một quy trình hiển vi giãn nở toàn cơ thể riêng của Janelia cũng đã hoạt động trên mẫu Danionella trưởng thành. 4

Dù vậy, giới hạn cốt lõi cần được giữ rõ: ghi hình canxi cho thấy các động lực tế bào tương quan với nhau; nó không tự xác lập kết nối trực tiếp, cơ chế phân tử đầy đủ hay quan hệ nhân quả. Thế mạnh của WHOLISTIC là biến những giả thuyết liên cơ quan thành điều có thể quan sát ở quy mô vốn rất khó tiếp cận trên một động vật có xương sống còn sống. 2