Обычно организм изучают по отдельным уровням: нейробиологи — мозг, физиологи — работу органов, клеточные биологи — отдельные типы клеток. WHOLISTIC позволяет объединить эти уровни и одновременно видеть активность нервной, сердечно-сосудистой, пищеварительной и других систем. Благодаря этому исследователи могут изучать не отдельный орган, а поток сигналов между разными частями организма.

Почти каждая клетка тела использует кальций для передачи и обработки сигналов, а изменения его концентрации сопровождают множество клеточных процессов — от сокращения мышц до иммунного ответа. Поэтому кальциевые сигналы можно использовать как показатель активности клеток.

В основе WHOLISTIC лежит их регистрация: учёные создали трансгенную линию данио-рерио, в которой сенсор кальция GCaMP7f экспрессируется практически во всех клетках организма. Когда концентрация кальция внутри клетки меняется, меняется и флуоресценция сенсора — этот сигнал можно зафиксировать с помощью микроскопа.

Затем исследователи объединили объемную флуоресцентную микроскопию с вычислительными методами. Алгоритмы отслеживают сигналы в разных частях тела, совмещают данные и помогают определить типы клеток по характеру их активности. Для проверки клеточной идентичности команда использовала также микроскопию расширения всего тела — она физически увеличивает образец и позволяет рассмотреть структуру с высокой детализацией.

Полученные данные показали, что активность клеток связана сразу на уровне нескольких систем организма. Исследователи наблюдали корреляции между мозгом, мышцами и внутренними органами, а также реакции разных типов клеток на изменения условий среды. В частности, метод позволил проследить физиологическую реакцию рыбы на низкое содержание кислорода и увидеть, как ствол мозга связан с перераспределением кровотока между кишечником, мозгом и мышцами.

WHOLISTIC также позволил обнаружить ранее малоизученные паттерны активности.

Например, вдоль спинного и головного мозга распространялись колебания активности эпендимальных клеток, выстилающих полости, заполненные спинномозговой жидкостью. Точная функция этих сигналов пока неизвестна. Метод также выявил клетки, реагирующие на холод, включая хондроциты, и показал активность клеток мозговых оболочек после введения кетамина.

Команда уже адаптирует WHOLISTIC для данионеллы — небольшой прозрачной рыбы, которая сохраняет прозрачность во взрослом возрасте. Это позволит исследовать более сложное поведение, чем у молодых данио-рерио. Авторы рассчитывают, что подход поможет изучать организм как единую систему и в перспективе лучше понять, как взаимодействие разных органов и клеток формирует поведение, а также что происходит с этими связями при заболеваниях и под действием лекарств. Данные, вычислительные методы и протоколы WHOLISTIC исследователи планируют сделать доступными для других научных групп.