Technologia START opracowana przez Salk Institute mapuje połączenia mózgowe z niezrównaną precyzją, ujawniając unikalne wzorce w podtypach neuronów hamujących, pomagając w opracowaniu ukierunkowanych terapii neurologicznych.
Naukowcy z Instytutu Salk opracowali nową neurotechnologię mapowania mózgu, która łączy dwie zaawansowane technologie — wściekliznę monosynaptyczną wirus śledzenie i transkryptomika pojedynczych komórek — w celu mapowania skomplikowanych połączeń neuronowych w mózgu z niespotykaną dotąd precyzją.
Korzystając z tej techniki, zwanej śledzeniem wścieklizny wspomaganej pojedynczym transkryptomem (START), badacze jako pierwsi zidentyfikowali wzorce połączeń tworzonych przez podtypy transkryptomiczne neuronów hamujących w korze mózgowej.
Twierdzą, że zdolność do mapowania połączeń podtypów neuronów będzie motorem rozwoju nowych terapii, które będą mogły z większą swoistością oddziaływać na określone neurony i obwody. Takie terapie mogłyby być bardziej skuteczne i powodować mniej skutków ubocznych niż obecne podejścia farmakologiczne.
Przełom w mapowaniu mózgu
Badanie, opublikowane 30 września w Neuronjako pierwszy rozwiązał łączność korową w rozdzielczości typów komórek transkryptomicznych.
„Jeśli chodzi o leczenie zaburzeń neurologicznych i neuropsychiatrycznych, zasadniczo próbujemy naprawić maszynę, nie rozumiejąc w pełni jej części” – mówi starszy autor Edward Callaway, profesor i kierownik katedry neurobiologii molekularnej Vincenta J. Coatesa w Salk. „START pomaga nam stworzyć szczegółowy plan wielu części mózgu i sposobu ich połączenia”.
To jak próbować naprawić samochód, nie wiedząc, co to jest silnik i oś – mówi. Ale gdybyś miał schemat części samochodu, mógłbyś zacząć rozumieć, w jaki sposób mogą one współpracować, aby koła się kręciły, a samochód mógł się poruszać. Dzięki tej wiedzy znacznie łatwiej będzie wykryć problem w systemie i dowiedzieć się, jakich narzędzi będziesz potrzebować, aby go naprawić.
Klasyfikacja neuronów i łączność
Opisując części mózgu, neurony dzieli się początkowo na dwie szerokie klasy: pobudzające (te, które stymulują aktywność mózgu) i hamujące (te, które tłumią aktywność) – podobnie jak pedał gazu i hamulec w samochodzie. Stamtąd można je dalej podzielić na podklasy: neurony pobudzające są klasyfikowane według warstwy mózgu, w której się znajdują, natomiast neurony hamujące są identyfikowane na podstawie białek markerowych, które wyrażają.
Ostatnie postępy w transkryptomice pozwalają obecnie na jeszcze dalszy podział tych podklas. Korzystanie z pojedynczej komórki RNA sekwencjonowania naukowcy mogą teraz grupować komórki o podobnych wzorcach ekspresji genów i definiować każdy klaster jako specyficzny podtyp neuronalny.
„Definiowanie typu komórki jest skomplikowane, ponieważ możesz grupować komórki w różny sposób w zależności od metody, której używasz do ich przeglądania” – mówi Callaway. „Dwie komórki mogą mieć nieco inne wzorce ekspresji genów, ale pełnić podobną funkcję, lub dwie komórki o podobnej ekspresji genów można dalej oddzielić na podstawie ich anatomii, łączności lub fizjologii. Jeśli weźmiesz pod uwagę tylko jedną z tych funkcji, może dojść do nadmiernego lub niedostatecznego podziału grup. START pomaga nam zrozumieć, jaki poziom kategoryzacji może mieć największe znaczenie dla funkcjonowania obwodów, a to poinformuje, na które komórki należy skierować nowe leki”.
Zastosowanie i przyszłość START
Aby stworzyć program START, laboratorium Callaway opracowało sposób połączenia sekwencjonowania RNA jednokomórkowych z inną techniką opracowaną wcześniej: Śledzenie wirusa wścieklizny monosynaptycznej. Podejście to umożliwia zmodyfikowanemu wirusowi przeskakiwanie z jednego typu komórek do tylko komórek bezpośrednio z nim połączonych. Wykrywając, dokąd trafia wirus, badacze mogą mapować, które komórki są z którymi połączone.
Naukowcy po raz pierwszy wykorzystali swoje nowe narzędzie do zbadania wzorców połączeń w korze wzrokowej myszy. W ramach projektu START udało się zidentyfikować około 50 różnych podtypów neuronów hamujących w tym regionie i zmapować ich połączenia z neuronami pobudzającymi w każdej warstwie kory mózgowej. Odkrycia badaczy pozwoliły zidentyfikować odrębne wzorce połączeń w różnych podtypach transkryptomicznych neuronów hamujących, których nie można było rozróżnić przy użyciu poprzednich metod.
„Ludzie często traktują wszystkie neurony hamujące jako pojedynczą, jednolitą grupę, ale w rzeczywistości są one bardzo zróżnicowane, a próby ich badania lub leczenia klinicznego jako jednej grupy mogą przesłaniać ważne różnice, które mają kluczowe znaczenie dla funkcjonowania mózgu i chorób” – mówi pierwsza autorka, Maribel Patiño, były absolwent laboratorium Callawaya i obecnie rezydent psychiatrii w Szkole Medycznej Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego.
Projekt START ujawnił, że każda warstwa korowa neuronów pobudzających otrzymała selektywny sygnał wejściowy od określonych podtypów transkryptomicznych komórek hamujących Sst, Pvalb, Vip i Lamp5. Unikalna łączność każdego podtypu pomaga w tworzeniu wyrafinowanych mikroukładów, które prawdopodobnie przyczyniają się do wyspecjalizowanych funkcji mózgu.
Na przykład naukowcom udało się rozróżnić podtyp hamujący zwany komórkami Sst Chodl, który uważa się za powiązany z regulacją snu. Korzystając z projektu START, odkryli, że komórki Chodla są komórkami najgęściej połączonymi z neuronami pobudzającymi warstwy 6, o których wiadomo, że rzutują do wzgórza w celu koordynowania rytmów snu.
To bezprecedensowe rozwiązanie umożliwi neuronaukowcom dalsze odkrywanie, w jaki sposób określone podtypy neuronów kształtują obwody mózgu, które odpowiadają za nasze myśli, spostrzeżenia, emocje i zachowania.
Kolejnymi krokami badaczy będzie stworzenie wektorów wirusowych i technologii edycji genów ukierunkowanych na każdy indywidualny podtyp komórki. W przyszłości narzędzia te można będzie zaadaptować do tworzenia nowych terapii, które selektywnie modyfikują określone populacje neuronów przyczyniające się do chorób takich jak autyzm, zespół Retta i schizofrenia.
„Nie wiemy dokładnie, w jaki sposób te informacje zostaną wykorzystane za 10 czy 20 lat, ale wiemy, że technologie szybko się zmieniają, a sposób, w jaki mózg jest dziś leczony narkotykami, nie jest taki sam, jak mózg będzie leczona w przyszłości” – mówi Callaway. „START może pomóc we wprowadzaniu tej innowacji, dzięki czemu wirusy i zasoby będą swobodnie dostępne dla całej społeczności neuronaukowej”.
Odniesienie: „Specyficzność typu komórek transkryptomicznych lokalnych obwodów korowych” autorstwa Maribel Patiño, Marley A. Rossa, Willian Nuñez Lagos, Neelakshi S. Patne i Edward M. Callaway, 30 września 2024 r., Neuron.
DOI: 10.1016/j.neuron.2024.09.003
Prace wsparł m.in Narodowe Instytuty Zdrowia (R34 NS116885, T32 GM007198, P30 014195, S10 OD023689) oraz stypendium Paula i Daisy Soros dla nowych Amerykanów.
