Cercetătorii au dezvoltat o nouă metodă puternică de a cartografia modul în care celulele creierului se conectează, etichetând neuronii cu "coduri de bare" moleculare. Folosind această tehnică, au reușit să cartografieze mii de conexiuni neuronale în creierul șoricelui cu o viteză și un nivel de detaliu remarcabile. Această metodă ar putea aprofunda înțelegerea modului în care sunt organizate rețelele cerebrale complexe și modul în care funcționează. De asemenea, ar putea elucida ce se întâmplă în tulburările neurologice și modul în care boli precum Alzheimer se dezvoltă în timp.
"Când proiectați un computer, trebuie să cunoașteți circuitele unității centrale de procesare. Dacă nu știți cum este totul conectat, nu puteți înțelege funcția acestuia, nu îl puteți optimiza sau repara când ceva se strică. Abordăm creierul în același mod", a declarat liderul studiului, Boxuan Zhao, profesor de biologie celulară și a dezvoltării la Universitatea Illinois Urbana-Champaign. "Tehnologia noastră permite cartografierea simultană a mii de conexiuni neuronale cu o rezoluție de o singură sinapsă – o capacitate care nu există în nicio tehnologie actuală. Este direct aplicabilă în înțelegerea disfuncțiilor circuitelor în bolile neurodegenerative și ar putea oferi o platformă pentru dezvoltarea unor intervenții terapeutice ghidate de circuite", a spus el.
Rezultatele au fost publicate în jurnalul Nature Methods.
**O modalitate mai rapidă și mai detaliată de a cartografia creierul**
Cartografierea creierului a fost în mod tradițional lentă și dificilă. Oamenii de știință au trebuit adesea să taie țesutul cerebral în secțiuni extrem de subțiri, să le imagineze cu microscoape și să pună cap la cap manual traseele. În timp ce noile instrumente bazate pe secvențiere pot eticheta mulți neuroni simultan, ele arată de obicei unde se extinde un neuron, mai degrabă decât să identifice celulele exacte cu care se conectează la sinapsă, a spus Zhao.
Pentru a depăși această limitare, echipa lui Zhao a creat o nouă platformă numită Connectome-seq. Aceasta atribuie fiecărui neuron un "cod de bare" ARN unic. Proteine specializate transportă aceste coduri de bare de la corpul principal al neuronului la sinapsă, punctul în care se întâlnesc doi neuroni. Cercetătorii izolează apoi aceste sinapse și folosesc secvențierea de înaltă performanță pentru a citi ce perechi de coduri de bare se găsesc împreună. Acest lucru dezvăluie care neuroni sunt conectați direct, permițând oamenilor de știință să cartografieze rețele la scară largă.
**Transformarea cablajului creierului într-o problemă de secvențiere**
"Am tradus problema conectivității neuronale într-o problemă de secvențiere. Imaginați-vă un mare mănunchi de baloane. Corpul principal al fiecărui balon are stickere cu coduri de bare unice pe el, iar unele se deplasează în jos, la capătul sforii. Dacă două baloane sunt legate împreună la capăt, cele două coduri de bare se întâlnesc la joncțiune", a spus Zhao. "Apoi tăiem nodurile și secvențiem codurile de bare din fiecare. Dacă același nod are stickere de la balonul A și balonul B, știm că aceste două baloane sunt legate împreună. Facem acest lucru în creier, doar la nivelul a mii de celule neuronale. Cu aceste informații, putem reconstrui o hartă sofisticată care reprezintă conexiunile dintre toate aceste grupuri aparent plutitoare."
**Descoperirea de noi conexiuni ale circuitelor cerebrale**
Folosind Connectome-seq, echipa a cartografiat mai mult de 1.000 de neuroni într-un circuit al creierului de șoarece, cunoscut sub numele de circuit pontocerebelos, care leagă două regiuni ale creierului. Analiza a dezvăluit tipare de conectivitate necunoscute anterior, inclusiv legături directe între tipurile de celule despre care nu se știa că se conectează în creierul adult.
"Cu îmbunătățiri deja în curs de desfășurare în laboratorul nostru, suntem încrezători că putem face chiar mai bine și, în cele din urmă, vom atinge obiectivul de a cartografia întregul creier al șoricelui", a spus Zhao.
**Potențialul de a transforma cercetarea bolii Alzheimer și a bolilor cerebrale**
Deoarece este atât rapidă, cât și scalabilă, Connectome-seq ar putea accelera semnificativ cercetarea în domeniul bolilor neurodegenerative, al afecțiunilor psihiatrice și al altor tulburări cerebrale. Prin compararea conexiunilor cerebrale la persoanele sănătoase cu cele aflate în diferite stadii ale bolii, oamenii de știință ar putea fi capabili să identifice modificări incipiente în circuitele neuronale.
"Cu abordările bazate pe secvențiere, timpul și costurile sunt mult reduse, ceea ce face cu adevărat posibilă observarea diferențelor în diferite creiere. Am putea vedea unde se schimbă conexiunile, care sunt cele mai vulnerabile părți ale creierului, poate chiar înainte de apariția simptomelor", a spus Zhao. "De exemplu, dacă putem surprinde exact unde se află veriga slabă care dă startul întregii cascade catastrofale în boala Alzheimer, putem consolida în mod specific acele conexiuni până acolo unde boala încetinește sau nu progresează?"
Cercetarea a fost susținută de o subvenție din partea Neuro-omics Initiative de la Wu Tsai Neurosciences Institute de la Universitatea Stanford, precum și de finanțare din partea Elsa U. Pardee Foundation și Edward Mallinckrodt Jr. Foundation.