[ad_1]
В начале Года биологии нейробиолог Даниэль Шоке объясняет, как прогресс в области визуализации способствовал нынешнему взрыву знаний в науках о жизни.
Справедливо ли сказать, что достижения в области технологий обработки изображений открыли новую эру в науках о жизни?
Даниэль Шоке: Абсолютно. Визуализация является частью серии революционных методов, которые быстро расширяют знания в области биологии. Мне нравится цитировать высказывание южноафриканского биолога Сидни Бреннера: «Прогресс в науке зависит от новых технологий, новых открытий и новых идей, вероятно, именно в таком порядке». Это особенно верно в отношении биологии, поскольку видение нового позволяет нам задавать новые вопросы. Передовые технологии визуализации помогли увеличить наши геологоразведочные мощности.
Каковы вехи этой революции в области визуализации?
ОКРУГ КОЛУМБИЯ: Получение изображений имеет долгую историю, поскольку первые микроскопы появились еще в конце шестнадцатого века. Но эту новую революцию можно датировать 1980-ми годами с использованием в биологии флуоресцентных белков, которые могут маркировать молекулы и тем самым помогать изучать механизмы и процессы, действующие в клетках. Другой важной вехой стало развитие конфокальной микроскопии и многофотонной микроскопии, которые позволяют получать трехмерные изображения образцов тканей. Еще одним ключевым моментом стало появление в 2006 году микроскопов сверхвысокого разрешения, которые могут создавать изображения объектов размером менее 250 нанометров как в живой, так и в функционирующей ткани.
Какие объекты и процессы делают возможными эти новые технологии?
ОКРУГ КОЛУМБИЯ: Я буду использовать в качестве примера свои любимые клетки, нейроны. Тело клетки нейрона составляет примерно 20 микрон. Таким образом, он находится в пределах досягаемости обычных микроскопов, разрешение которых ограничено дифракцией примерно до четверти микрона. Открытие того, что мозг не представляет собой студенистую массу, а состоит из отдельных клеток, было фактически сделано в конце девятнадцатого века испанским нейробиологом Рамоном-и-Кахалем.
Размер синапса или соединения между двумя нейронами обычно составляет один микрон, что близко к пределам обычной микроскопии. Следовательно, он не может обеспечить высокоточные измерения или расшифровать их сложную организацию. С разрешением в одну сотую микрона микроскопия сверхвысокого разрешения позволяет наблюдать не только синапсы в действии, но и отдельные белки, стоящие за нервным сигналом.
Эти технологии позволяют нам изучать динамику взаимодействия нейронов. Например, моя команда показала, что синаптические рецепторы не прикреплены к мембране, а постоянно перемещаются.
Электронная микроскопия также добилась впечатляющих успехов. Что это значит для наук о жизни?
ОКРУГ КОЛУМБИЯ: Электронная микроскопия всегда была важна для биологии. Это позволило впервые визуализировать вирусы, хотя роль этой технологии часто недооценивается. С 1980-х годов электронная криомикроскопия произвела еще одну революцию, а именно возможность изучать структуру белков в 3D с разрешением порядка атома. Более того, это позволяет увидеть различные конформации, принятые этими белками, тем самым помогая нам выяснить функционирование этих молекулярных машин, пока они выполняют свою задачу.
Еще одна недавняя разработка связана с методами визуализации для изучения процессов на уровне целых органов или живых животных. Что они позволяют вам делать?
ОКРУГ КОЛУМБИЯ: Это очень важный момент, и здесь мы находимся на другой стороне спектра криомикроскопии. Благодаря методам маркировки и миниатюризации микроскопов мы можем получить изображение всего животного, пока оно находится в действии.
Например, мы можем установить микроскоп весом в несколько граммов на голову крысы и позволить ей взаимодействовать со своими сородичами или перемещаться по лабиринту. Это показывает, какие нейроны и области мозга активируются во время определенной активности. Он уже привел к важным открытиям, таким как функционирование пространственных и пространственных клеток, нейронов, которые позволяют нам запоминать определенные места и возвращаться к ним позже.
Эти технологии показывают, какие клетки активируются, когда животное обнаруживает или повторно посещает окружающую среду.
Другими словами, вы можете видеть память, как она формируется.
ОКРУГ КОЛУМБИЯ: Именно так работает мозг. Это исследование также может быть использовано для других органов, таких как селезенка и вилочковая железа. Мы можем изучать органы, пораженные различными заболеваниями, и определять различия по сравнению с нормальным функционированием. Это исследование также можно сочетать с генной инженерией на животных.
Таким образом, новые технологии визуализации открывают доступ ко всем масштабам. Как вы согласовываете эту информацию?
ОКРУГ КОЛУМБИЯ: Это задача будущего: как мы можем производить знания, используя континуум технологий, которые позволяют нам переходить от атома к человеку, от ангстрема к метру? В идеальном мире мы могли бы описать человека в целом на молекулярном уровне. В какой-то момент это может стать возможным, но сегодня это тема научной фантастики. Что мы можем сделать сейчас, так это сопоставить различные шкалы наблюдения. Возьмем, к примеру, мышь, выполняющую задачу. Я обнаружил, что определенная часть мозга активна, и что определенный нейрон в этой области общается со своими соседями. Я могу собрать образец ткани и наблюдать за этим нейроном с помощью микроскопии сверхвысокого разрешения, чтобы увидеть, какие синапсы активны и как они себя ведут. Затем я могу заморозить эти синапсы и исследовать их с помощью электронного микроскопа, чтобы изучить трехмерную структуру мембранных белков и увидеть, как эта структура изменяется при активации нейрона. Перекрывая корреляцию на разных шкалах, мы можем перемещаться по шкалам и понимать, например, какие изменения в конформации белков связаны с каким поведением животного.
Какое влияние эти новые технологии оказывают на наш подход к таким заболеваниям, как болезнь Альцгеймера и Паркинсона?
ОКРУГ КОЛУМБИЯ: Идут совершенно интересные вещи. В частности, есть новый метод, сочетающий визуализацию и транскриптомику, исследование всех генов, экспрессируемых в клетке или ткани. Это позволяет нам изучить, почему одни люди серьезно страдают от нейродегенеративных заболеваний, а другие нет. Сегодня мы можем представить себе эти различия между здоровыми и больными людьми, и это будет иметь решающее значение при разработке методов лечения. Это шаг к персонализированной медицине.
Мы все еще находимся в разгаре пандемии Covid-19. Могут ли эти технологии визуализации способствовать борьбе с инфекционными заболеваниями?
ОКРУГ КОЛУМБИЯ: Они действительно могут. Во-первых, мы знаем, как выглядит вирус, благодаря электронной микроскопии. Если бы у нас была только его генетическая последовательность, мы были бы наполовину слепыми. Например, мы не осознаем важность белка Spike, что становится совершенно очевидным, когда мы видим его на вершине шипов SARS-CoV-2. Визуализация также показывает нам части белка, на которые должны воздействовать лекарства или нейтрализующие антитела, чтобы блокировать их. Другой пример – исследование симптомов Covid-19. Чтобы изучить их, мы должны знать, какие ткани инфицированы, и в этом случае решающее значение имеет визуализация.
Суперкомпьютеры, искусственный интеллект, алгоритмы обучения … Как можно совместить вычислительную мощность и анализ с визуализацией, чтобы понять живой мир?
ОКРУГ КОЛУМБИЯ: Мы находимся в разгаре бума. Искусственный интеллект вторгается в нашу повседневную жизнь без нашего ведома, и биология не исключение. Это незаменимо, если мы хотим изучить множество параметров в нескольких масштабах. Количество производимой информации выходит за пределы возможностей человеческого мозга: без вычислительных ресурсов было бы невозможно проанализировать эти петабайты информации. Особенно полезное приложение включает обучение искусственных нейронных сетей распознаванию выступающих форм. Это широко используется в криомикроскопии, поскольку для определения трехмерной структуры белков необходимы тысячи изображений.
На ваш взгляд, какой будет следующая технологическая революция в области обработки изображений?
ОКРУГ КОЛУМБИЯ: Если бы знал, то уже вложил бы! Я думаю, что объемные анализы увеличатся. Получение изображений на месте для изучения органов во время их функционирования станет еще более важным. Наконец, будет прогресс в автоматизации, роботизации и миниатюризации микроскопов. В конечном итоге они могут быть достаточно маленькими, чтобы проникать в тело и наблюдать за определенными органами. Я ожидаю от этих достижений лучшего понимания живых существ и развития персонализированной медицины. Я думаю, что появятся новые методы лечения, адаптированные к каждому генетическому наследию. Что касается мозга, я думаю, что визуализация поможет в раннем обнаружении нейродегенеративных заболеваний, а также в разработке методов лечения таких расстройств, как аутизм.
[ad_2]
Source