広報活動

Print

2014年4月18日

独立行政法人理化学研究所
独立行政法人科学技術振興機構

成体の脳を透明化し1細胞解像度で観察する新技術を開発

-アミノアルコールを含む化合物カクテルと画像解析に基づく「CUBIC」技術を実現-

図

成体マウス全脳の透明化

脳は神経細胞の複雑なネットワークで構成され、さまざまな生体機能をコントロールしています。こうした機能を理解するには、1つひとつの細胞を調べるだけではなく、有機的なつながりを持つシステムとして解析することが必要です。このようなシステム生物学的なアプローチの1つとして、脳全体の神経ネットワークや遺伝子の働きを1つの細胞単位の解像度で、かつ3次元画像としてとらえるためのイメージング技術が注目されています。脳のような大きな組織を3次元画像で高速に取得するには特殊な顕微鏡「シート照明顕微鏡」が適しています。しかし、この顕微鏡を使うにはサンプル(試料)がほぼ完全に透明である必要があります。これまでも、動物の脳を透明化し3次元イメージングする手法がありましたが、蛍光シグナルの保存性の問題、複数のサンプルを同等に透明化できる再現性の問題、透明度の問題などさまざまな問題がありました。そこで、理研の研究グループは、こうした問題をすべて同時に解決できる透明化手法の開発に取り組みました。

研究グループは、脳内遺伝子の機能や神経ネットワークの網羅的な解析を行うための一連の基盤技術としての開発を目指しました。この基盤技術は①脳全体のより高度な透明化②高速な3次元イメージング用顕微鏡を用いた1細胞解像度の全脳イメージ③異なる試料間でも重ね合わせて定量的なシグナル比較を行うための情報科学的解析、の3つのステップで構成されます。研究グループはこの基盤技術を「CUBIC(キュービック)」と名付けました。CUBICの第1ステップとして、新たに開発した化合物スクリーニング法によって40種類の化合物を探索し、アミノアルコールが生体脳の尿素処理による透明化を促進することを発見しました。これを使い、難易度が高かった成体マウスの全脳をより高度に透明化する試薬の作製に成功しました。これにより第2のステップでシート照明顕微鏡の利用が可能となり、1細胞解像度でマウス全脳イメージを1時間ほどで取得できるようになりました。さらに第3ステップである脳全体の解剖学的な構造を取得するための染色方法も開発しました。これで得た解剖学的な構造情報を利用して、取得した3次元全脳イメージを標準化し、異なる脳サンプルの比較ができるようになりました。CUBICはマウス脳だけでなく小型のサルの脳にも適用可能で、遺伝学的に組み込んだ蛍光タンパク質を検出できるだけでなく、免疫組織化学的な解析にも適応できます。

実際に、CUBICを用いて、光を当てたマウスと当てていないマウスの脳の全脳イメージング像を取得し、光に反応して活性化する脳領域を全脳レベルで定量的に同定することができました。この成果は生物学だけでなく、医学分野においても大きな貢献ができると期待できます。

理化学研究所
生命システム研究センター 細胞デザインコア 合成生物学研究グループ
グループディレクター 上田 泰己 (うえだ ひろき)