Szybkie sekwencjonowanie > Długotrwałe obrazowanie

Tradycyjne metody badania połączeń neuronalnych są czasochłonne i wymagają ogromnej precyzji. Polegają m.in. na cięciu tkanki mózgowej na bardzo cienkie warstwy, ich obrazowaniu i ręcznym odtwarzaniu sieci połączeń. Chociaż nowoczesne techniki pozwalają śledzić przebieg neuronów, często nie pokazują dokładnie, które komórki łączą się ze sobą w konkretnych synapsach. Nowa metoda, nazwana Connectome-seq, istotnie zmienia to podejście, ponieważ odchodzi od klasycznego obrazowania na rzecz podejścia opartego na sekwencjonowaniu molekularnym.

Neurony z własnym „kodem kreskowym”

W metodzie Connectome-seq każdemu neuronowi przypisywany jest unikalny „kod kreskowy” RNA. Dzięki inżynierii molekularnej specjalne białka transportują te znaczniki z ciała komórki do synaps – miejsc kontaktu między neuronami. Gdy dwa neurony tworzą połączenie, ich kody kreskowe spotykają się w synapsie. Naukowcy izolują następnie takie miejsca kontaktu i analizują obecne tam cząsteczki RNA za pomocą wysokoprzepustowego sekwencjonowania. Jeśli w jednym miejscu wykryte zostaną dwa różne „kody kreskowe”, oznacza to bezpośrednie połączenie między odpowiadającymi im neuronami. To podejście można porównać do identyfikowania powiązań między obiektami na podstawie wspólnych etykiet – tyle że odbywa się to na poziomie tysięcy komórek jednocześnie. Jak podkreśla Boxuan Zhao, adiunkt w Katedrze Biologii Komórkowej i Rozwoju UIUC, podejście to jest inspirowane inżynierią systemów komputerowych. – Jeśli projektujesz komputer, musisz znać schemat połączeń procesora. Bez wiedzy o tym, jak wszystko jest ze sobą połączone, nie zrozumiesz jego działania, nie zoptymalizujesz go ani nie naprawisz, gdy coś się zepsuje. Do mózgu podchodzimy w ten sam sposób – przyrównuje. Dzięki Connectome-seq możliwe jest jednoczesne mapowanie tysięcy połączeń neuronalnych z dokładnością do pojedynczej synapsy – badacze podają, że nie było to dotąd osiągalne żadną inną metodą.

Nowe odkrycia w znanych strukturach

Technologię przetestowano w obwodzie mostowo-móżdżkowym mózgu myszy. Analiza ponad tysiąca neuronów ujawniła nie tylko znane wcześniej połączenia, ale także zupełnie nowe wzorce komunikacji między typami komórek, które dotąd nie były uznawane za bezpośrednio powiązane w dojrzałym mózgu. Odkrycia te udowadniają, że nawet dobrze zbadane obszary mózgu mogą kryć nieznane wcześniej elementy organizacji.

Szansa na przełom w badaniach chorób neurodegeneracyjnych 

Nowa metoda pozwala nie tylko weryfikować, jak neurony są ze sobą połączone, ale także powiązać te dane z informacjami o aktywności genów w poszczególnych komórkach. Dzięki temu naukowcy mogą lepiej zrozumieć, jak zorganizowane są złożone sieci neuronalne czy jakie mechanizmy odpowiadają za występowanie zaburzeń. Szczególnie obiecujące wydaje się zastosowanie tej technologii w badaniach nad chorobami neurodegeneracyjnymi i psychiatrycznymi. Dzięki szybkości i skalowalności Connectome-seq możliwe będzie porównywanie sieci neuronalnych w zdrowych i objętych chorobą mózgach na różnych etapach rozwoju schorzenia. Może to pozwolić na wykrycie pierwszych zmian w połączeniach neuronalnych jeszcze przed pojawieniem się objawów. – Możemy zobaczyć, gdzie połączenia się zmieniają, które obszary mózgu są najbardziej podatne na uszkodzenia, być może zanim pojawią się objawy. Jeśli uda się zidentyfikować najsłabsze ogniwo, które inicjuje kaskadę zmian w chorobie Alzheimera, być może będzie można je wzmocnić i spowolnić rozwój choroby – zauważa Zhao.

W stronę pełnej mapy mózgu

Connectome-seq może stać się fundamentem nowej generacji badań nad mózgiem łączących biologię molekularną, neuronaukę i technologie sekwencjonowania. Badacze są przekonani, że technologia będzie dalej rozwijana i udoskonalana. Ich celem jest stworzenie kompletnej mapy połączeń w całym mózgu myszy, a być może kiedyś także bardziej złożonych organizmów. 

W innym artykule poruszamy temat mapowania połączeń neuronowych muszki owocówki. Przeczytaj tutaj.