High-throughput serial two-photon tomography with BakingTray and BrainSaw

脳を理解するためには、科学者はそれを三次元的に捉えなければなりません。脳は平坦な地図ではなく、組織の容積の中に広がる、密で絡み合った接続の森なのです。数十年にわたり、研究者たちは、研究対象である関係性そのものを破壊することなく、この全容積を捉えることに苦心してきました。伝統的な手法では、脳を薄いシート状にスライスし、それらをガラススライドに載せ、後でパズルを組み立て直そうとすることがよくあります。このプロセスには多くの問題がつきまといます。繊細なスライスは破れたり、歪んだり、あるいは紛失したりすることがあり、ある部分が他の部分とどのように接続しているかという連続した物語を断ち切ってしまうのです。組織全体を透明にして丸ごと撮影する他の技術も存在しますが、それらは多くの場合、数週間を要する複雑な化学処理や専門的な装置を必要とします。高速で信頼性が高く、一度に多くのサンプルを扱うことができ、組織を無傷のまま維持しながら高い精度で脳の構造をマッピングできる手法が求められていました。

ある研究チームは、このことを可能にするために、強力なイメージング技術と新しいオープンソースのソフトウェアプラットフォームを組み合わせた解決策を開発しました。彼らはこのシステムを「BrainSaw（ブレイン・ソー）」と呼んでいます。これはその機能、すなわち脳をスライスすると同時に撮影するという機能を反映した名前です。コアとなる技術は、組織の深部を観察するために集束した光ビームを使用する二光子顕微鏡と、組織を薄くスライスする装置であるバイブラトームに基づいています。スライスを取り出すのではなく、このシステムは、カットが行われるたびに、ブロックの新鮮で露出した表面を撮影します。顕微鏡が表面の画像をキャプチャすると、機械がその層を切り落とし、その下に新しい表面が現れ、このプロセスが数千回繰り返されます。これにより、器官全体のシームレスな三次元動画が作成されます。この研究における革新はハードウェアだけでなく、それを制御する「BakingTray」と呼ばれるソフトウェアにもあります。このソフトウェアは指揮者の役割を果たし、顕微鏡がいつスキャンするか、いつ切るか、そして何百万もの画像をどのように繋ぎ合わせて一つの利用可能な3Dデータセットにするかを指示します。

研究者たちは2016年から世界中に12のこれらのシステムを構築し、ロンドンのセインズベリー・ウェルカム・センターにある多忙な施設で稼働させてきました。長年にわたり、これらのマシンは7,000以上のサンプルを撮影し、数十の科学論文に貢献してきました。システムは、数時間、時には一晩中、無人で動作できるほど堅牢に設計されており、研究者が一度のセッションで複数の脳を処理することを可能にしています。ソフトウェアは異なる種類の顕微鏡やハードウェア構成にも対応できるほど柔軟であり、ラボが独自のシステムを構築したり、既存の顕微鏡をこれらの高スループットなイメージャーに改造したりすることも可能です。チームは、このシステムが信頼できることを実証しており、大多数のイメージング・セッションは再起動を必要とせずに完了しています。中断が発生する場合でも、それは通常、単純なユーザーエラーや予測可能な技術的トラブルによるものであり、システムは迅速に、多くの場合1時間以内に再開できるように設計されています。

このアプローチの威力は、それが科学者に何をもたらすかによって最もよく分かります。一つの主要な応用例は、生体の動物の脳に挿入された電極の正確な経路を特定することです。電極を挿入する前に蛍光色素に浸しておくことで、電極が残した跡が顕微鏡の下で光ります。BrainSawは脳全体を撮影し、色素の跡を辿り、記録部位の正確な位置を三次元的にマッピングできるため、データの出所に関する推測を排除できます。もう一つの重要な用途は、細胞のカウントです。システムは個々の細胞体を観察できるほど微細な解像度で脳全体を撮影でき、自動化されたソフトウェアによって、器官全体のラベル付けされたニューロンをすべて数え上げることができます。これにより、研究者は異なる動物間や脳領域間で細胞数を比較することが、以前は大規模に行うことが不可能だったレベルの詳細さで可能になります。

単純なカウントや追跡を超えて、このシステムは異なるタイプの脳細胞が互いにどのように接続しているかを明らかにします。ある実験では、研究者たちは腹側外側膝状体と呼ばれる小さな脳領域にある特定の抑制性ニューロンを標的にしました。彼らはウイルスを使用して、これらのニューロンを光らせ、さらにそれらが他の細胞と通信する微小な接点であるシナプス末端を標識しました。脳全体を撮影することで、彼らはニューロンが長い軸索をどこに送ったかだけでなく、その軸索が正確にどこで接続を形成したかを見ることができました。彼らは、これらのニューロンの異なるサブタイプが、たとえ同じ小さな領域内にあったとしても、脳の異なる部分へと投影され、独特のパターンで接続を形成していることを見出したのです。このような詳細なマッピングは、特定の回路がどのように構築され、どのように機能する可能性があるのかを理解する助けとなります。

この技術は、動物が死んだ後に染色された組織を扱うことも可能です。研究者たちは、アルツハイマー病のマウスモデルから得られた、アミロイド斑（疾患に関連するタンパク質の塊）を強調するための色素で処理された脳を撮影できることを示しました。組織を染料に対して受容性を持たせるために化学処理を行う必要がありますが、システムは依然として脳全体を撮影し、これらのプラークの広範な分布を明らかにすることができました。これは、この手法が遺伝子改変動物に限定されず、脾臓における免疫系の研究から疾患の広がりをマッピングすることまで、幅広い生物学的問いに応用できることを示しています。

このプロジェクトの成功は、誰でも無料で利用できるソフトウェアに大きく依存しています。著者らは、ハードウェアの構築と維持にはスキルが必要である一方で、ソフトウェアは新しいセットアップごとにカスタムコードを作成する必要があるという障壁を取り除くものであると強調しています。これにより、研究コミュニックが設計や改良を共有し、これらの複雑なイメージング作業を実行するための標準的な方法を作り出すことができます。システムは完璧ではありません。例えば、脳の外層が硬すぎるためフェレットのようなより大きな動物の脳を撮影することはできませんし、単一の軸索を最も細かな枝まで追跡するために必要な極限の倍率には設計されていません。しかし、脳全体の視点を必要とする大多数の神経科学的な問いに対して、それは高速で信頼性が高く、アクセシブルな前進の道を提供します。複雑で破壊的なプロセスを、合理化された自動化されたワークフローに変えることで、BrainSawとBakingTrayは、より多くの科学者が三次元的に脳を探索することを可能にし、器官全体をマッピングするという不可能に近い課題を、現代の研究における日常的な業務へと変えたのです。