Neues Tool zur Gehirnkartierung könnte der „START“ der nächsten Generation von Therapeutika sein

Neues Tool zur Gehirnkartierung könnte der „START“ der nächsten Generation von Therapeutika sein

Wissenschaftler der Salk University stellen eine Methode zur Ermittlung der Konnektivität zwischen Gehirnzelltypen mit beispielloser Auflösung vor

LA JOLLA – Wissenschaftler des Salk Institute stellen eine neue Neurotechnologie zur Kartierung des Gehirns vor, die Single Transcriptome Assisted Rabies Tracing (START) heißt. Das hochmoderne Tool kombiniert zwei fortschrittliche Technologien – monosynaptische Tollwutvirus-Tracing und Einzelzell-Transkriptomik –, um die komplexen neuronalen Verbindungen des Gehirns mit beispielloser Präzision abzubilden.

Mithilfe dieser Technik konnten die Forscher erstmals die Verbindungsmuster identifizieren, die von transkriptomischen Subtypen hemmender Neuronen in der Großhirnrinde gebildet werden. Sie sagen, dass die Fähigkeit, die Konnektivität neuronaler Subtypen abzubilden, die Entwicklung neuartiger Therapeutika vorantreiben wird, die bestimmte Neuronen und Schaltkreise gezielter ansprechen können. Solche Behandlungen könnten wirksamer sein und weniger Nebenwirkungen hervorrufen als aktuelle pharmakologische Ansätze.

Die Studie, veröffentlicht am 30. September 2024, in Neuron, ist der erste, der die kortikale Konnektivität bei der Auflösung transkriptomischer Zelltypen auflöst.

„Wenn es um die Behandlung neurologischer und neuropsychiatrischer Störungen geht, versuchen wir im Grunde, eine Maschine zu reparieren, ohne ihre Teile vollständig zu verstehen“, sagt der leitende Autor Edward Callaway, Professor und Vincent J. Coates-Lehrstuhlinhaber für Molekulare Neurobiologie an der Salk University. „START hilft uns dabei, einen detaillierten Plan der vielen Teile des Gehirns und ihrer Verbindungen zu erstellen.“

Es sei, als würde man versuchen, ein Auto zu reparieren, ohne zu wissen, was ein Motor oder eine Achse ist, sagt er. Aber wenn man ein Diagramm der Autoteile hätte, könnte man verstehen, wie sie zusammenarbeiten, um die Räder zum Drehen zu bringen und das Auto in Bewegung zu setzen. Mit diesem Wissen wäre es dann viel einfacher, ein Problem im System zu erkennen und herauszufinden, welche Werkzeuge man braucht, um es zu beheben.

Bei der Beschreibung der Teile eines Gehirns werden Neuronen zunächst in zwei große Klassen eingeteilt: exzitatorische (die die Gehirnaktivität stimulieren) und hemmende (die die Aktivität unterdrücken) – ähnlich wie das Gaspedal und die Bremse in einem Auto. Von dort aus können sie weiter in Unterklassen unterteilt werden: Exzitatorische Neuronen werden nach der Schicht des Gehirns kategorisiert, in der sie sich befinden, während hemmende Neuronen anhand der Markerproteine ​​identifiziert werden, die sie exprimieren.

Dank jüngster Fortschritte in der Transkriptomik können diese Unterklassen nun noch weiter aufgeschlüsselt werden. Mithilfe der RNA-Sequenzierung einzelner Zellen können Wissenschaftler nun Zellen mit ähnlichen Genexpressionsmustern gruppieren und jeden Cluster als spezifischen neuronalen Subtyp definieren.

„Die Definition eines Zelltyps ist kompliziert, da man Zellen je nach der Methode, mit der man sie betrachtet, unterschiedlich gruppieren kann“, sagt Callaway. „Zwei Zellen können leicht unterschiedliche Genexpressionsmuster aufweisen, aber eine ähnliche Funktion erfüllen, oder zwei Zellen mit ähnlicher Genexpression können aufgrund ihrer Anatomie, Konnektivität oder Physiologie weiter getrennt werden. Wenn man nur eines dieser Merkmale berücksichtigt, kann es passieren, dass man die Gruppen zu stark oder zu wenig aufteilt. START hilft uns zu verstehen, welche Kategorisierungsebene für die Schaltkreisfunktion am sinnvollsten sein könnte, und das wird uns darüber informieren, auf welche Zellen wir mit neuen Therapeutika abzielen sollten.“

Um START zu entwickeln, entwickelte das Callaway-Labor eine Möglichkeit, die Einzelzell-RNA-Sequenzierung mit einer anderen Technik zu kombinieren, die sie zuvor entwickelt hatten: monosynaptische Tollwutvirus-Tracing. Mit diesem Ansatz kann ein modifiziertes Virus von einem bestimmten Zelltyp zu den direkt mit ihm verbundenen Zellen springen. Indem sie erkennen, wo das Virus landet, können die Forscher kartieren, welche Zellen mit welchen verbunden sind.

Die Forscher nutzten ihr neues Tool zunächst, um Verbindungsmuster im visuellen Kortex der Maus zu untersuchen. START konnte in dieser Region etwa 50 verschiedene Subtypen hemmender Neuronen auflösen und ihre Verbindungen zu erregenden Neuronen in jeder Schicht des Kortex abbilden. Die Ergebnisse der Forscher identifizierten unterschiedliche Verbindungsmuster über verschiedene transkriptomische Subtypen hemmender Neuronen hinweg, die mit früheren Methoden nicht unterschieden werden konnten.

„Die Leute behandeln alle hemmenden Neuronen oft als eine einzige einheitliche Gruppe, aber sie sind tatsächlich sehr unterschiedlich, und der Versuch, sie als eine Gruppe zu untersuchen oder klinisch gezielt zu behandeln, kann wichtige Unterschiede verschleiern, die für die Funktion und Krankheit des Gehirns entscheidend sind“, sagt die Erstautorin Maribel Patiño, eine ehemalige Doktorandin in Callaways Labor und derzeit Assistenzärztin für Psychiatrie an der UC San Diego School of Medicine.

START ergab, dass jede Schicht exzitatorischer Neuronen im Kortex selektive Eingaben von bestimmten transkriptomischen Subtypen von Sst-, Pvalb-, Vip- und Lamp5-Inhibitorzellen erhielt. Die einzigartige Konnektivität jedes Subtyps hilft dabei, komplexe Mikroschaltkreise zu etablieren, die wahrscheinlich zu spezialisierten Gehirnfunktionen beitragen.

So konnten die Forscher beispielsweise einen hemmenden Subtyp namens Sst-Chodl-Zellen identifizieren, der vermutlich mit der Schlafregulierung in Zusammenhang steht. Mithilfe von START fanden sie heraus, dass Chodl-Zellen der Zelltyp sind, der am dichtesten mit exzitatorischen Neuronen der Schicht 6 verbunden ist, die bekanntermaßen zum Thalamus projizieren, um den Schlafrhythmus zu koordinieren.

Diese beispiellose Lösung wird es Neurowissenschaftlern ermöglichen, weiterhin aufzudecken, wie bestimmte neuronale Subtypen die Schaltkreise des Gehirns formen und so unsere Gedanken, Wahrnehmungen, Emotionen und Verhaltensweisen hervorbringen.

Die nächsten Schritte der Forscher sind die Entwicklung viraler Vektoren und Gen-Editierungstechnologien, die auf jeden einzelnen Zellsubtyp abzielen. In Zukunft könnten diese Werkzeuge zu neuartigen Therapeutika verarbeitet werden, die gezielt die spezifischen Neuronenpopulationen verändern, die zu Erkrankungen wie Autismus, Rett-Syndrom und Schizophrenie beitragen.

„Wir wissen nicht genau, wie diese Informationen in 10 oder 20 Jahren genutzt werden, aber wir wissen, dass sich die Technologien schnell ändern und dass die Behandlung des Gehirns heute mit Medikamenten nicht die Behandlungsmethode der Zukunft ist“, sagt Callaway. „START kann diese Innovation vorantreiben, sodass die Viren und Ressourcen der gesamten neurowissenschaftlichen Gemeinschaft kostenlos zur Verfügung stehen.“

Weitere Autoren sind Marley A. Rossa, Willian Nuñez Lagos und Neelakshi S. Patne vom Salk Institute.

Die Arbeit wurde von den National Institutes of Health (R34 NS116885, T32 GM007198, P30 014195, S10 OD023689) und der Paul and Daisy Soros Fellowship for New Americans unterstützt.

DOI: 10.1016 / j.neuron.2024.09.003