Nature：科学家首次获得完整透明的3D大脑
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日前，斯坦福大学的一支跨学科研究小组将神经学与化学工程结合起来，开发了一种名为“CLARITY”的突破性技术，获得了透明而完整的小鼠大脑，这一新技术保留了大脑3D结构、神经回路及其他生物机制的完整性，展现了大脑中复杂的精细连接和分子结构。这一成就将转变我们研究大脑的方式，在此基础上，人们可以根据需要通过光或化学物质进行研究。相关研究论文刊登在了近期出版的《自然》（Nature）杂志上。
研究人员将这一技术成为“Clear, Lipid-exchanged,Anatomically Rigid, Imaging/immunostaining compatible, Tissue hYdrogel”，简称CLARITY。
该技术采用一种透明凝胶来替代大脑中的脂类，让大脑组织变得透明且可渗透。在此基础上，人们得以在细胞/分子水平上对完整大脑进行高分辨率成像。这项新技术将人们带入了完整器官成像的全新领域，有望从根本上改变我们对大脑等重要器官的理解。通过该技术人们可以对完整大脑进行化学、遗传学和光学分析。
研究人员表示，CLARITY将有助于综合理解大规模的完整生物系统，使得研究人员能够在保持神经结构连续性的同时，研究亚细胞的蛋白和分子，分析远程回路、局部回路和细胞空间联系。
重要器官的深入研究将不再受到二维方法的限制。此前，要在高分辨上研究大脑的内部结构，人们需要将大脑组织切成极薄的切片，而这样会切断大脑中的回路。这种缺乏完整性的方法，使人们很难将微观发现与宏观现象关联起来。
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小鼠大脑采用CLARITY技术处理前后对比图。
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现在，研究人员通过CLARITY技术，在保持大脑完整性的同时，抽出了大脑中的不透明物质（脂类）。脂类在大脑中帮助形成细胞膜，并赋予大脑多种结构，不过也令化学物质和光线难以深入大脑。
研究人员用一种水凝胶来替换大脑中的脂类，他们将死后的完整大脑浸入水凝胶溶液，让溶液中的单体进入组织，然后对其稍微加热。在差不多达到体温时，上述单体开始凝聚为长分子链，在大脑中形成高分子网络。这一网络能够支持大脑中的所有结构，但不会结合脂类。随后，研究人员快速将脂类抽出，获得了完整透明的3D大脑，大脑中的神经元、轴突、树突、突触、蛋白、核酸等等都完好的维持在原位。
研究人员构建了表达荧光蛋白的小鼠，并用CLARITY成像了它的整个大脑。他们用传统显微镜展示了其中的发光信息，例如蛋白嵌入细胞膜和单个神经纤维。又通过电镜揭示了其中的精细结构，例如突触。
研究还显示，在CLARITY处理的小鼠大脑中，荧光抗体能够使其特异性结合的目标发光。在这一系统中，人们可以追溯神经环路，解析局部环路的细微差异，观察细胞间的联系和分析亚细胞结构。此外，人们还可以利用这一技术，探寻蛋白复合体、核酸和神经递质之间的化学关联。
这项技术的另一个重要亮点在于，人们可以去除已染色的荧光抗体，并用其他抗体进行重新染色，以便在同一个大脑中研究不同的分子目标。研究显示，这种染色/退色过程可以重复多次。
研究人员还通过CLARITY技术，分析了一个孤独症患者死后的大脑标本。尽管该标本已经用甲醛保存了六年，CLARITY技术仍能帮助人们研究其中的神经纤维、神经元细胞体及其延伸部分。
原文检索：
Kwanghun Chung, Jenelle Wallace, Karl Deisseroth et al. Structural and molecular interrogation of intact biological systems. Nature, 10 April 2013; doi:10.1038/nature12107
