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これを見よ、透明な脳の立体画像

2014.04.18

 生命科学の技術の進歩は今も目覚しい。成体のマウスの脳や小型のサルの脳を透明化して、遺伝子の働きと神経ネットワークを3次元データとして観察できる新技術を、上田泰己(うえだ ひろき)理化学研究所生命システム研究センター研究グループディレクターらが開発した。複雑な脳を理解するための画期的な手法として注目される。東京大学の洲崎悦生(すさき えつお)助教と田井中一貴(たいなか かずき)講師、理研のディミトリ・ペリン国際特別研究員らとの共同研究で、4月18日、米科学誌セルのオンライン版に発表した。

 研究グループは、脳内の遺伝子発現や神経ネットワークを網羅的、定量的に扱うイメージング技術の開発に取り組んだ。まず脳を透明化するため、40種類の化合物を探索した。このうちアミノアルコールを、理研の別の研究グループが開発していた尿素などの試薬に加えると、脳の透明化が促進されることを見つけた。浸せば、脳全体をほぼ完全に透明化する試薬を作製した。さらに、組織全体の画像を高速に取得できるシート照明顕微鏡やコンピューター画像処理も活用して、脳内の構造や遺伝子発現の様子を1細胞ごとの解像度で3次元イメージとして示した。染色技術も駆使して、定量的に比較解析できるようにした。

 透明化から画像解析までの一連の技術をCUBIC(キュービック)と名付けた。透明化の手法は、体積2立方センチ、重さ2グラムほどの成体マウスの脳だけでなく、約10倍のマーモット(小型のサル)の脳にも使えた。ただ、生きたままの解析はできず、死んでから解剖で取り出した脳が対象になる。遺伝学的に組み込んだ蛍光タンパク質の検出や、免疫組織化学的な解析にも適用できた。暗闇で2日間育てたあと、急に光を当てたマウスと、光を当てていないマウスの全脳を、CUBICで画像化して比較したところ、光に反応して活性化する脳の領域を捉えることもできた。

 研究を率いる上田泰己さんは「理研の別のグループが開発してきた透明化試薬がそろっていた。それが基盤になって、うまくいった。脳は、成長すると脂質が増えて、透明化が難しいが、CUBICを使えば、個体ごとのばらつきも少なく、高品質な画像が得られる。『使いたい』という研究者は多いのではないか。この新技術を発展させれば、個体の生命現象とその原理を対象とする『個体レベルのシステム生物学』に一歩近づく。生物学だけでなく、医学にも大きく貢献するだろう」と期待している。

成体マウス全脳の透明化
図1. 成体マウス全脳の透明化
シート照明顕微鏡を用いた成体マウス脳の3次元イメージング
図2. シート照明顕微鏡を用いた成体マウス脳の3次元イメージング
マーモット(小型のサル)脳の3次元イメージング
図3. マーモット(小型のサル)脳の3次元イメージング
(いずれも提供:理化学研究所)

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