DNA-sekventering kunne kortlægge hjernens ledninger

Neurovidenskabsmænd planlægger at bruge en virus, der bærer DNA fra neuron til neuron, kombineret med DNA-sekventeringsteknologi, for at forstå, hvordan musens hjerne er forbundet, celle for celle.

Projektet foreslået af Anthony Zador og andre kl Cold Spring Harbor Laboratory i New York tilbyder imidlertid en billigere og hurtigere måde at kortlægge neuron-til-neuron-samtaler, der foregår i hjernen, og kan kaste lys over lidelser, herunder autisme eller skizofreni.

Indsatsen ville være en spændende tilføjelse til det spirende felt af connectome-projekter - forskningsindsats for at kortlægge de neurale forbindelser i hjernen - siger Amy Bernard, direktør for Structured Science ved Allen Institute for Brain Science i Seattle. Grundlæggende for at forstå ethvert grundlag for sygdom eller funktion er først at forstå din stykliste: hvad alle cellerne er, og hvordan de passer sammen, siger Bernard.

Symptomerne på mange hjernelidelser og sygdomme, især dårligt forståede tilstande såsom autisme eller skizofreni, kan opstå fra unormale forbindelser i hjernen. Det menes stort set, at disse sygdomme kan påvirke hjernens ledningsdiagram. At forstå den normale version vil hjælpe os til at forstå, hvornår den ikke er tilsluttet korrekt, og hvad der kan være galt, siger Bernard.

De fleste connectome-projekter er afhængige af visuel inspektion af hjernens struktur ved hjælp af neuronsporende farvestoffer og mikroskoper. Disse metoder lader forskerne se, hvordan større neuronale veje forbinder et område af hjernen med et andet, men de tillader ikke et nærbillede af synapserne (skæringspunktet mellem to neuroner, hvor information udveksles). Mere intensive mikroskopimetoder giver mulighed for højpræcisionsvisninger af synapser, men processen er tidskrævende og dyr. I betragtning af de anslåede milliarder af synapser i en musehjerne, kunne en hurtigere, high-throughput metode accelerere vores forståelse af, hvordan neuroner taler med hinanden i pattedyrshjernen.

I PLOS biologi i denne uge holdet beskriver en metode, hvor små stykker DNA overføres fra den ene neuron til den næste som en del af en virus. Hver neuron er mærket med en unik DNA-stregkode - en håndfuld DNA-bogstaver eller -baser i en bestemt rækkefølge, der vil være unik for hver neuron. Med kun 20 bogstaver kan holdet unikt mærke en billion neuroner - mange flere end der findes i en muses hjerne.

Vi konstruerer virussen til at flytte stregkoderne på tværs af synapser, så nu bliver hver neuron en pose stregkoder, der indeholder kopier af sin egen stregkode og kopier af alle de neuroner, der taler til den, siger Zador.

Når virussen har båret stregkoderne fra én neuron til en anden, vil et andet moderne biologi-trick blive brugt til at kortlægge forbindelserne. Holdet vil høste DNA fra hjernen og sekventere de kombinerede stregkoder. Computere vil så sortere ud, hvilke neuroner der udvekslede stregkoder med hinanden.

Denne strategi er rigtig fin, især da omkostningerne ved sekventering falder, siger Bernard. Det vil ikke give dig den information om hele hjernen og hele strukturen, som nogle af de andre connectome-projekter fokuserer på, men vil i stedet give et mere tæt billede af hjernens forbindelser.

Zador håber, at dataene fra hans teams connectome vil hjælpe videnskabsmænd med at tune deres hypotese om, hvordan hjernen fungerer, ved at give dem data om, hvordan den er forbundet.

Lige nu er vores viden om kredsløb så rudimentær, at [hypoteser] stort set er ubegrænsede, siger Zador. Når forskere har en idé om, hvordan hjernen fungerer, har de ingen mulighed for nemt at kontrollere, om hjernens ledninger er forenelige med deres hypotese. Et af mine store håb har været, at vi kan [forbedre] vores forståelse af kredsløbet til et punkt, hvor vi så kunne gøre meget hurtigere fremskridt med at forstå, hvordan hjerner beregner.

skjule