Codificarea RNA cartografiază conexiunile neuronale cu o precizie fără precedent
Prin etichetarea neuronilor cu „coduri de bare” moleculare, cercetătorii au mapat conexiunile dintre mii de neuroni din creierul de șoarece cu o viteză și o rezoluție fără precedent.
Această abordare ar putea extinde înțelegerea nu doar a structurii rețelelor elaborate din creier, ci și a modului în care acesta funcționează, ce se întâmplă în cazul disfuncției și cum progresează bolile neurodegenerative.
„Când ingineriezi un computer, trebuie să cunoști circuitul unității centrale de procesare. Dacă nu știi cum este totul conectat, nu poți înțelege funcția sa, nu îl poți optimiza sau repara când ceva se strică. Abordăm creierul în același mod”, a declarat Boxuan Zhao, profesor de biologie celulară și dezvoltare la Universitatea din Illinois Urbana-Champaign.
„Tehnologia noastră permite maparea simultană a mii de conexiuni neuronale cu o rezoluție de sinapsă unică – o capacitate care nu există în nicio tehnologie actuală. Este direct aplicabilă pentru a înțelege disfuncțiile circuitelor în bolile neurodegenerative și ar putea oferi o platformă pentru dezvoltarea intervențiilor terapeutice ghidate de circuit”, a adăugat el.
Cercetătorii și-au publicat rezultatele în revista Nature Methods.
În mod tradițional, cartografierea creierului a fost un proces lung și laborios, implicând tăierea creierului în felii foarte subțiri, imagistica cu diferite tipuri de microscoape și încercarea de a reconstrui căile neuronale. Tehnicile mai recente bazate pe secvențiere pot eticheta mii de neuroni simultan, dar majoritatea urmăresc doar unde ajunge un neuron – nu care partener specific se conectează cu el la sinapsă, a explicat Zhao.
Grupul lui Zhao a dezvoltat o platformă numită Connectome-seq, care utilizează „coduri de bare” RNA pentru a eticheta fiecare neuron. Proteinele specializate transportă codurile de bare RNA din corpul celular al neuronului și le fixează la sinapsă, joncțiunea dintre doi neuroni. Cercetătorii izolează apoi joncțiunile sinaptice și folosesc secvențierea de mare capacitate pentru a citi care perechi de coduri de bare RNA s-au întâlnit, revelând care neuroni sunt conectați la scară largă.
„Am tradus problema conectivității neuronale într-o problemă de secvențiere. Imaginează-ți un grup mare de baloane. Corpul principal al fiecărui balon are autocolante cu coduri de bare unice, iar unele se deplasează spre capătul sârmei. Dacă două baloane sunt legate între ele la capăt, cele două coduri de bare se întâlnesc la joncțiune”, a explicat Zhao. „Apoi snopim nodurile și secvențiem codurile de bare din fiecare balon. Dacă același nod are autocolante de la balonul A și balonul B, știm că aceste două baloane sunt legate între ele. Facem asta 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.”
Cercetătorii au folosit Connectome-seq pentru a cartografia peste 1.000 de neuroni într-un circuit al creierului de șoarece numit circuitul pontocerebelos, care leagă două regiuni diferite ale creierului. Au dezvăluit modele de conectivitate anterior necunoscute, inclusiv conexiuni între tipuri de celule care nu erau cunoscute a fi direct interconectate în creierul adult.
„Cu îmbunătățirile deja în curs de desfășurare în laboratorul nostru, suntem încrezători că putem îmbunătăți și mai mult această tehnologie și, în cele din urmă, să atingem obiectivul de a cartografia întregul creier de șoarece”, a afirmat Zhao.
Datorită vitezei și capacității de a cartografia zone mari, Connectome-seq are potențialul de a accelera cercetările în condiții neurodegenerative, tulburări psihiatrice și alte afecțiuni neurologice, a subliniat Zhao, prin facilitarea comparației între conexiunile din creiere sănătoase și cele aflate în diferite stadii de boală.
„Cu abordările bazate pe secvențiere, timpul și costurile sunt foarte reduse, ceea ce face cu adevărat posibil să observăm diferențele între diferite creiere. Am putea vedea unde se schimbă conexiunile, unde sunt cele mai vulnerabile părți ale creierului, poate chiar înainte ca simptomele să apară”, a adăugat el. „De exemplu, dacă putem identifica exact unde este punctul slab care declanșează întreaga cascadă catastrofică în boala Alzheimer, putem întări specific acele conexiuni pentru ca boala să încetinească sau să nu progreseze.”
