Neue Bildgebungstechnologien für das Gehirn mit beispielloser Granularität könnten die Neurobiologie verändern

Eine Technologie, die auf DNA-Strichcodierung basiert, kann leicht eine beispiellose Anzahl von Verbindungen zwischen einzelnen Gehirnzellen markieren. Die unerwartete Komplexität des visuellen Systems ist nur das erste der Geheimnisse, die sie entdeckt hat.

Der Neurowissenschaftler Tony Zador saß an einem Schreibtisch in seinem Büro auf dem Campus des Cold Spring Harbor Lab und drehte seinen Computermonitor zu mir, um ein komplexes Diagramm in Form einer Matrix anzuzeigen. Stellen Sie sich eine Tabelle vor, die anstelle von Zahlen mit Farben verschiedener Schattierungen und Abstufungen gefüllt ist. Nebenbei sagte er: „Wenn ich den Leuten sage, dass ich die Zusammenhänge von Zehntausenden von Neuronen verstehe und ihnen dies zeige, sagen sie als Antwort einfach„ Ah? “. Aber wenn ich den Leuten das zeige ...“ Er drückte den Knopf und ein transparenter Bildschirm erschien ein dreidimensionales Modell des Gehirns, das sich um eine der Achsen dreht und mit Knoten und Linien gefüllt ist, in einer Menge, die zu groß ist, um gezählt zu werden. "Sie sagen:" Was ...! "

Zador zeigte mir eine Karte von 50.000 Neuronen in der Großhirnrinde der Maus. Darauf war markiert, wo sich die Körper aller Neuronen befinden und wo sie ihre langen Axonäste lenken. Neuronale Karten dieser Größe und dieses Details waren noch nie zuvor. Zador gab den traditionellen Ansatz der Erstellung einer Gehirnkarte durch Fluoreszenzmarkierung von Neuronen auf und entschied sich für eine ungewöhnliche Technologie, die auf einer langen Tradition der molekularbiologischen Forschung in Cold Spring Harbor auf Long Island basiert. Er verwendete Partikel von Genominformationen, um eine einzigartige Sequenz von RNA oder Barcode in jedes einzelne Neuron einzuführen. Dann schnitt er das Gehirn in Würfel und fütterte sie dem DNA-Sequenzer. Das Ergebnis war ein dreidimensionales Bild von 50.000 Neuronen der Großhirnrinde der Maus (und bald werden weitere hinzugefügt) mit einer Auflösung von bis zu einzelnen Zellen.

Dieses Werk, Magnum Opus Zador, wird vor seiner Veröffentlichung noch einer Reihe von Verfeinerungen und Korrekturen unterzogen. In einem kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikel haben sie und ihre Kollegen gezeigt, dass diese als MAPseq (Multiplexed Analysis of Projections by Sequencing) bekannte Technik zur Suche nach neuen Zelltypen und Mustern verwendet werden kann, die zuvor unbekannt waren . In der Arbeit wurde auch gezeigt, dass diese hochproduktive Markierungsmethode in ernsthafter Konkurrenz um die Genauigkeit der Fluoreszenztechnik steht, die der derzeitige Standard ist, aber am besten mit nur einer kleinen Anzahl von Neuronen funktioniert.


Tony Zador

Dieses Projekt entstand aufgrund von Zadors Unzufriedenheit mit seiner routinemäßigen Hauptaufgabe als Neurophysiologe, wie er trocken darüber spricht. Er untersucht den Einfluss des Hörens auf die Entscheidungsfindung bei Nagetieren: Wie ihr Gehirn Geräusche hört, Audioinformationen verarbeitet und eine Verhaltensreaktion oder -aktion bestimmt. Elektrophysiologische Aufzeichnungen und andere traditionelle Werkzeuge zur Lösung solcher Probleme befriedigten den Mathematiker nicht. Das Problem, sagt Zador, ist, dass wir uns neuronaler Zusammenhänge nicht gut bewusst sind. Als Teilzeitbeschäftigung versucht er, neue Werkzeuge für die Erfassung von Gehirnbildern zu entwickeln.

Der aktuelle Stand der fortschrittlichen Gehirnkartierungstechnologie ist das Allen-Gehirnatlas- Projekt des Gehirnatlas, das als Ergebnis mehrjähriger Arbeit in vielen Labors zusammengestellt wurde und etwa 25 Millionen US-Dollar kostet. Der Allen-Atlas ist als Atlas der Massenverbindungen bekannt, da er Subpopulationen von Neuronen und deren Neuronen verfolgt Gruppenverbindungen. Er war für Forscher sehr nützlich, aber er ist nicht in der Lage, subtile Unterschiede zu machen, die innerhalb von Gruppen oder Subpopulationen von Neuronen existieren.

Wenn wir jemals wissen wollen, wie die Maus einen hohen Triller hört, verarbeitet und versteht, dass Klang das Erscheinen einer Belohnung in Form eines erfrischenden Getränks bedeutet oder eine neue Erinnerung bildet, um später an die Bedrohung zu erinnern, müssen wir mit einer Karte oder einem Diagramm der Verbindungen des Gehirns beginnen . Aus Zadors Sicht spielt der Mangel an Wissen über solche Verbindungen eine Rolle dafür, warum Fortschritte bei der Behandlung von psychiatrischen Erkrankungen so langsam sind und warum künstliche Intelligenz immer noch nicht intelligent genug ist.

Justus Kebskul , Neurowissenschaftler an der Stanford University, Autor einer neuen Arbeit für die Natur und ehemaliger Doktorand im Labor von Zadora, bemerkte, dass Neurowissenschaften ohne Kenntnis der Zusammenhänge wie „versuchen zu verstehen, wie ein Computer funktioniert, indem man ihn von außen betrachtet und hineinsteckt eine Elektrode und versuchen zu verstehen, was dort zu finden ist. Ohne zu wissen, dass die Festplatte an den Prozessor angeschlossen ist und USB die Eingabedaten an das System überträgt, ist es sehr schwierig zu verstehen, was passiert. "

Die Inspiration für die Entwicklung von SAPsec kam nach Zador, als er von einer weiteren Gehirnkartierungstechnologie namens Brainbow [Färbung von Nervenzellen mit fluoreszierenden Proteinen in verschiedenen Farben; Gehirn - Gehirn, Regenbogen - Regenbogen / ca. übersetzt.]. Diese Methode, die im Labor von Jeff Lichtman von der Harvard University vorgestellt wurde, zeichnet sich dadurch aus, dass bis zu 200 einzelne Neuronen gleichzeitig mit verschiedenen Kombinationen fluoreszierender Farben genetisch markiert werden können. Das Ergebnis war ein malerisches Mehrfarbenbild von Neuronen in Neonfarben, das im Detail eine komplexe Mischung aus Axonen und Neuronenkörpern zeigt. Diese revolutionäre Arbeit gab Hoffnung, dass sich das Layout der Verbindung , eine vollständige Beschreibung aller Nervenverbindungen des Gehirns, der Realität nähert. Leider bestand die Einschränkung dieser Technologie in der Praxis darin, dass Experimentatoren bei Betrachtung durch ein Mikroskop fünf bis zehn verschiedene Farben erkennen konnten, was nicht ausreichte, um in die Feinheiten von Neuronen in der Großhirnrinde einzudringen und viele Neuronen gleichzeitig zu markieren.

Damals entstand eine Idee in Zadors Kopf. Er erkannte, dass das Problem der extremen Komplexität des Konnektoms gezähmt werden könnte, wenn die Forscher die steigenden Geschwindigkeiten und die sinkenden Kosten hochproduktiver Genomsequenzierungstechnologien an ihre Bedürfnisse anpassen könnten. "In der Mathematik wird dies als Reduzierung des Problems auf das bereits gelöste Problem bezeichnet", erklärte er.



In SAPsec führen Forscher genetisch veränderte Viren in ein Tier ein, das viele bekannte RNA-Sequenzen oder „Barcodes“ trägt. Etwa eine Woche lang vermehren sich Viren im Körper des Tieres und füllen jedes Neuron mit einer einzigartigen Kombination dieser Barcodes. Wenn Forscher dann das Gehirn in Stücke schneiden, können RNA-Barcodes ihnen helfen, einzelne Neuronen von Stück zu Stück zu verfolgen.

Zadors Idee führte zu einer neuen Arbeit in Nature, in der sein Labor und sein Team vom University College London unter der Leitung des Neurowissenschaftlers Thomas Marsik-Flögel SAPsec verwendeten, um die Verbindungen von fast 600 Neuronen im visuellen System der Maus zu verfolgen.

600 Neuronen sind ein bescheidener Anfang im Vergleich zu zig Millionen Neuronen, die im Gehirn der Maus enthalten sind. Dies reichte jedoch für ein bestimmtes Ziel, das sich die Forscher gesetzt hatten. Sie wollten verstehen, ob es in den Schaltkreisen des Gehirns eine Struktur gibt, die Licht in seine Arbeit bringen kann. Die populäre Theorie besagt nun, dass im visuellen Kortex einzelne Neuronen separate Informationen von den Augen sammeln - beispielsweise über die Ränder von sichtbaren Objekten oder die Art der Bewegung oder die räumliche Ausrichtung. Das Neuron sendet dann ein Signal an einen entsprechenden Bereich des Gehirns, der auf die Verarbeitung dieser Art von Informationen spezialisiert ist.

Ein Beispiel dafür, wie SAPsec die Verbindungen vieler Neuronen bestimmen kann:


Farbige Punkte zeigen die Position der Körper von 50.000 Neuronen im Kortex der Maus an


Axonverbindungen von nur zwei Neuronen, die irgendwo anders im Gehirn enden


Nervenbahnen vieler Neuronen

Um seine Theorie zu testen, markierte das Team zunächst mehrere Mausneuronen auf herkömmliche Weise und führte genetisch codierten Fluoreszenzfarbstoff in einzelne Zellen ein. Dann verfolgten sie mit einem Mikroskop, wie sich die Zellen vom visuellen Hauptkortex zu anderen Teilen des Gehirns erstreckten. Sie fanden heraus, dass sich die Axone der Neuronen verzweigten und gleichzeitig Informationen an mehrere Teile des Gehirns sendeten, was die Theorie der Eins-zu-Eins-Verbindungen widerlegte.

Dann begannen sie, nach Mustern in diesen Beziehungen zu suchen. Sie verwendeten SAPsec, um die Verbindungen von 591 Neuronen zu verfolgen, die verschiedene Ziele verzweigten und innervierten. Das Team stellte fest, dass die Verteilung der Axone den Regelmäßigkeiten entspricht: Einige Neuronen erweitern Axone immer auf Abschnitte, z. B. A, B und C, und niemals auf Abschnitte D oder E.

Die Ergebnisse legen nahe, dass das visuelle System äußerst komplexe Beziehungen aufweist und dass die Muster dieser Verbindungen viel komplexer sind als nur eine Eins-zu-Eins-Beziehung. "Hochrangige visuelle Bereiche erhalten nicht nur Informationen, die speziell für sie verarbeitet wurden", sagte Kebskul. Stattdessen erhalten viele Websites dieselben Informationen, "damit ihre Berechnungen miteinander in Beziehung gesetzt werden können".

Die Tatsache, dass bestimmte Zellen Verbindungen zu bestimmten Bereichen haben, bedeutet jedoch auch, dass sich spezialisierte, noch nicht offene Zellen im visuellen Kortex befinden. Kebskul sagte, diese Karte ähnele Blaupausen, mit denen zukünftige Forscher verstehen können, was diese Zellen tun. „Mit SAPsec können Sie eine Hardware-Map erstellen. Sobald wir uns mit der Ausrüstung befassen, können wir mit der Software und dem Berechnungsprozess beginnen “, sagte er.

Der Wettbewerbsvorteil von SAPsec in Bezug auf Geschwindigkeit und Kosten ist sehr bedeutend. Laut Zador sollte diese Technologie in der Lage sein, bis zu 100.000 Neuronen zu skalieren und ein solches Volumen in ein paar Wochen und für nur 10.000 US-Dollar zu verarbeiten - dies ist viel schneller als herkömmliche Markup-Methoden und viel billiger als diese.

Solche Vorteile machen die Aufgabe, die Nervenbahnen vieler Gehirne zu markieren und zu vergleichen, zu einer realistischeren Aufgabe. Die Untersuchung von Zuständen wie Schizophrenie und Autismus , von denen angenommen wird, dass sie auf Unterschiede in den Gehirnverbindungen zurückzuführen sind, hat Wissenschaftler häufig verärgert, weil die ihnen zur Verfügung stehenden Werkzeuge nicht in der Lage sind, viele kleine Details in Bezug auf neuronale Verbindungen zu erkennen. Man kann sich vorstellen, dass Forscher in der Lage sein werden, eine Karte dieser Bedingungen für Mäuse zu erstellen und sie mit typischeren Beispielen für Gehirnkarten zu vergleichen, was eine neue Welle der Forschung auslösen wird. "Viele psychische Erkrankungen sind auf Konnektivitätsprobleme zurückzuführen", sagte Hon Kui Zen , Executive Director der Abteilung für strukturierte Wissenschaft des Allen Institute for Brain Research. "Die Beziehungsinformationen zeigen Ihnen, wo Sie nach Antworten suchen müssen."

Mit detaillierten Markups können Wissenschaftler auch eine große Menge neurobiologischer Daten sammeln und nach Mustern suchen, die die allgemeinen Prinzipien der Gehirnfunktion widerspiegeln. "Tony betrachtet das Gehirn mit einem unverzerrten Blick", sagte Shrikant Chalasani , ein molekularer Neurowissenschaftler am Salk Institute. "So wie die Karte des menschlichen Genoms das Testen von Hypothesen und das Suchen nach Mustern in den Sequenzen und der Arbeit von Genen unterstützte, kann die Tony-Methode dies auch bei Problemen mit der Gehirnarchitektur tun."

Eine detaillierte Karte des menschlichen Genoms erklärte nicht sofort alle Geheimnisse der Arbeit der Biologie, sondern gab eine Liste biomolekularer "Ersatzteile" und ebnete den Weg für eine Galaxie revolutionärer Forschung . In ähnlicher Weise kann SAPsec in der aktuellen Entwicklungsphase keine Informationen über den Betrieb oder den Standort der von ihm gekennzeichneten Zellen bereitstellen oder anzeigen, welche Zellen miteinander kommunizieren. Aber Zador plant, solche Funktionen bald hinzuzufügen. Er arbeitet auch mit Wissenschaftlern zusammen, die verschiedene Teile des Gehirns untersuchen, zum Beispiel neuronale Verbindungen, die Angst verarbeiten.

„Ich denke, dass es aus all diesen Bindungen möglich sein wird, viele Ideen zu extrahieren. Aber dies ist, wie beim Genom - an sich nichts Interessantes, die Dinge, die man damit machen kann, sind revolutionär. Deshalb bin ich so aufgeregt “, sagte Zador. "Ich hoffe, dass diese Technologie die nächste Generation von Arbeiten in diesem Bereich unterstützen wird."