RNA-Barcoding bildet neuronale Verbindungen mit beispielloser Auflösung ab

Durch die Markierung von Neuronen mit molekularen „Barcodes“ kartierten Forscher Verbindungen zwischen Tausenden von Neuronen im Gehirn von Mäusen mit beispielloser Geschwindigkeit und Auflösung.

Der Ansatz könnte nicht nur das Verständnis für den Aufbau komplexer Netzwerke im Gehirn erweitern, sondern auch darüber, wie das Gehirn funktioniert, was bei Funktionsstörungen passiert und wie neurodegenerative Erkrankungen fortschreiten.

Wenn Sie einen Computer konstruieren, müssen Sie die Schaltkreise der Zentraleinheit kennen. Wenn Sie nicht wissen, wie alles miteinander verbunden ist, können Sie seine Funktion nicht verstehen, es nicht optimieren oder reparieren, wenn etwas kaputt geht. Wir nähern uns dem Gehirn auf die gleiche Weise.“

Boxuan Zhao, Studienleiter, Professor für Zell- und Entwicklungsbiologie, University of Illinois Urbana-Champaign

„Unsere Technologie ermöglicht die gleichzeitige Kartierung Tausender neuronaler Verbindungen mit der Auflösung einer einzigen Synapse – eine Fähigkeit, die in keiner aktuellen Technologie vorhanden ist. Sie ist direkt auf das Verständnis von Schaltkreisdysfunktionen bei neurodegenerativen Erkrankungen anwendbar und könnte eine Plattform für die Entwicklung schaltkreisgesteuerter therapeutischer Interventionen bieten“, sagte er.

Die Forscher veröffentlichten ihre Arbeit in der Zeitschrift Naturmethoden.

Traditionell war die Kartierung des Gehirns ein langer und mühsamer Prozess, bei dem das Gehirn in sehr dünne Scheiben geschnitten, mit verschiedenen Arten von Mikroskopen abgebildet und versucht wurde, Nervenbahnen zu rekonstruieren. Neuere sequenzierungsbasierte Techniken können Tausende von Neuronen gleichzeitig markieren, aber die meisten verfolgen nur, wohin ein Neuron gelangt – nicht, mit welchem ​​spezifischen Partner es sich an der Synapse verbindet, sagte Zhao.

Zhaos Gruppe entwickelte eine Plattform, Connectome-seq, die RNA-„Barcodes“ verwendet, um jedes Neuron zu markieren. Spezialisierte Proteine ​​transportieren die RNA-Barcodes aus dem Zellkörper des Neurons und verankern sie an der Synapse, der Verbindung zwischen zwei Neuronen. Anschließend isolieren die Forscher die synaptischen Verbindungen und verwenden Hochdurchsatzsequenzierung, um herauszufinden, welche Paare von RNA-Barcodes zusammengekommen sind, und zeigen so, welche Neuronen im großen Maßstab miteinander verbunden sind.

„Wir haben das Problem der neuronalen Konnektivität in ein Sequenzierungsproblem übersetzt. Stellen Sie sich einen großen Haufen Ballons vor. Auf dem Hauptkörper jedes Ballons sind überall einzigartige Barcode-Aufkleber angebracht, und einige bewegen sich bis zum Ende der Schnur. Wenn zwei Ballons am Ende zusammengebunden werden, treffen die beiden Barcodes an der Verbindungsstelle zusammen“, sagte Zhao. „Dann schneiden wir die Knoten heraus und reihen die Barcodes in jedem einzelnen Knoten ein. Wenn derselbe Knoten Aufkleber von Ballon A und Ballon B enthält, wissen wir, dass diese beiden Ballons miteinander verbunden sind. Wir tun dies im Gehirn, nur auf der Ebene von Tausenden von Neuronenzellen. Mit diesen Informationen können wir eine komplexe Karte rekonstruieren, die die Verbindungen zwischen all diesen scheinbar schwebenden Gruppen darstellt.“

Die Forscher nutzten Connectome-seq, um mehr als 1.000 Neuronen in einem Gehirnschaltkreis der Maus zu kartieren, der als pontozerebellärer Schaltkreis bezeichnet wird und zwei verschiedene Regionen des Gehirns verbindet. Sie enthüllten bisher unbekannte Verbindungsmuster, darunter Verbindungen zwischen Zelltypen, von denen bisher nicht bekannt war, dass sie im erwachsenen Gehirn direkt miteinander verbunden sind.

„Da in unserem Labor bereits Verbesserungen im Gange sind, sind wir zuversichtlich, dass wir es noch besser machen und schließlich das Ziel erreichen können, das gesamte Mausgehirn zu kartieren“, sagte Zhao.

Aufgrund seiner Geschwindigkeit und Fähigkeit, große Gebiete abzubilden, habe Connectome-seq das Potenzial, die Erforschung neurodegenerativer Erkrankungen, psychiatrischer Störungen und anderer neurologischer Erkrankungen zu beschleunigen, sagte Zhao, indem es einen Vergleich zwischen Verbindungen in gesunden Gehirnen und Gehirnen in verschiedenen Krankheitsstadien ermögliche.

„Mit sequenzierungsbasierten Ansätzen werden Zeit und Kosten erheblich reduziert, wodurch es wirklich möglich wird, Unterschiede in verschiedenen Gehirnen zu erkennen. Wir könnten sehen, wo sich Verbindungen ändern, wo die anfälligsten Teile des Gehirns sind, vielleicht bevor überhaupt Symptome auftreten“, sagte Zhao. „Wenn wir zum Beispiel herausfinden können, wo genau das schwache Glied liegt, das die ganze katastrophale Kaskade der Alzheimer-Krankheit in Gang setzt, können wir dann gezielt jene Verbindungen stärken, die dort ansetzen, wo die Krankheit langsamer wird oder nicht voranschreitet?“

Ein Zuschuss der Neuro-Omics-Initiative des Wu Tsai Neurosciences Institute der Stanford University unterstützte diese Arbeit, zusammen mit Zuschüssen der Elsa U. Pardee Foundation und der Edward Mallinckrodt Jr. Foundation.

Quellen: