WTR: A Toolkit for Functional Anterograde Transsynaptic Circuit Mapping
Die Autoren entwickelten WTR, ein vielseitiges, mittels AAV geliefertes Fusionsprotein-Toolkit, das eine zelltypspezifische anterograde transsynaptische Markierung, Aufzeichnung und Manipulation nachgeschalteter Neuronen ermöglicht, um neuronale Schaltkreise funktionell abzubilden, wie durch dessen Anwendung bei der Untersuchung von thermoregulatorischen und Stressreaktions-Signalwegen im Hypothalamus demonstriert wurde.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Das Gehirn ist ein riesiges Netzwerk aus Milliarden von Zellen, von denen jede mit Tausenden anderen verbunden ist und komplexe Schaltkreise bildet, die alles von der Atmung bis zum Denken steuern. Um zu verstehen, wie dieses System funktioniert, müssen Wissenschaftler die Verbindungen zwischen diesen Zellen kartieren, ganz so wie ein Elektriker, der Kabel verfolgt, um zu sehen, wie ein Haus verkabelt ist. Jahrzehntelang verfügten Forscher über leistungsstarke Werkzeuge, um Verbindungen rückwärts zu verfolgen, indem sie identifizierten, welche Zellen Signale an ein bestimmtes Ziel senden. Das Verfolgen von Verbindungen vorwärts – also zu sehen, welche Zellen Signale von einem Ausgangspunkt empfangen – blieb jedoch schwierig. Bestehende Werkzeuge für diese Vorwärtskartierung sind oft unpräzise, können toxisch für die untersuchten Zellen sein oder scheitern daran, zwischen verschiedenen Arten von Neuronen zu unterscheiden. Oh ohne eine klare Möglichkeit, dem Signal vorwärts zu folgen, haben es Wissenschaftler schwer, zu verstehen, wie spezifische Gruppen von Neuronen komplexe Verhaltensweisen oder physiologische Prozesse steuern.
Ein Forschungsteam hat nun ein neues Toolkit entwickelt, das darauf ausgelegt ist, dieses Problem zu lösen, indem es die Vorwärtswege des Gehirns mit hoher Präzision und minimalem Schaden für die Zellen kartiert. Sie entwickelten ein molekulares Werkzeug namens WTR, das als genetisch kodierter Tracer fungiert. Dieses Werkzeug basiert auf einem Protein, das natürlich im Weizenkeim vorkommt und für seine Fähigkeit bekannt ist, entlang von Nervenfasern zu wandern, wurde jedoch so umprogrammiert, dass es eine spezifische genetische Anweisung trägt. Wenn Wissenschaftler dieses Werkzeug in eine bestimmte Gruppe von Ausgangsneuronen einführen, wandert das Werkzeug über die Synapse – den winzigen Spalt, in dem Neuronen kommunizieren – zum nächsten Satz von Neuronen in der Kette. Sobald es dort ankommt, löst es einen genetischen Schalter aus, der einen fluoreszierenden Marker, ein lichtempfindliches Protein oder einen chemischen Sensor in diesen nachgeschalteten Zellen aktiviert. Dies ermöglicht es den Forschern, nicht nur zu sehen, wohin die Verbindungen führen, sondern auch deren Aktivität aufzuzeichnen oder sie zu manipulieren, um zu sehen, wie sie das Verhalten des Tieres beeinflussen.
Die Forscher testeten dieses neue System an Mäusen und konzentrierten sich dabei auf eine Region des Gehirns, das präoptische Areal des anterioren Hypothalamus, welches bekannt dafür ist, die Körpertemperatur und Stressreaktionen zu regulieren. Sie wollten sehen, ob sie die unterschiedlichen Pfade zweier Arten von Neuronen in diesem Bereich unterscheiden konnten: jene, die eine chemische Substanz namens Glutamat verwenden, um Signale zu senden, und jene, die eine Chemikalie namens GABA verwenden. Unter Verwendung ihres neuen Toolkits injizierten sie den Tracer in diese spezifischen Ausgangsneuronen und beobachteten, wohin er wanderte. Sie fanden heraus, dass sich das Werkzeug fast ausschließlich in die Vorwärtsrichtung bewegte, die nächste Gruppe von Neuronen erreichte, ohne signifikant rückwärts zu wandern oder zu Zellen weiter unten in der Kette zu springen. Dies bestätigte, dass das Werkzeug den ersten Schritt eines neuronalen Pfades genau kartieren konnte, ohne sich zu verirren oder falsche Verbindungen zu erzeugen.
Um sicherzustellen, dass das Werkzeug wie beabsichtigt funktionierte, verglich das Team es mit älteren Methoden. Sie stellten fest, dass ihr neues System effizienter bei der Markierung der Zielneuronen war als bisherige Werkzeuge und erfolgreich Verbindungen identifizierte, die andere übersehen hatten. Entscheidend war, dass sie verifizierten, dass die von ihnen markierten Neuronen tatsächlich direkt mit den Ausgangszellen verbunden waren. Durch die Verwendung elektrischer Aufzeichnungen zeigten sie, dass bei der Stimulation der Ausgangsneuronen die markierten Zielneuronen mit einem direkten, einstufigen Signal reagierten, was bewies, dass das Werkzeug echte, direkte Verbindungen und keine indirekten identifiziert hatte.
Nachdem die Kartierung bestätigt worden war, nutzten die Forscher das Toolkit, um zu erforsen, was diese spezifischen Verbindungen tatsächlich bewirken. Sie adressierten die Neuronen, die Signale von den Glutamat-freisetzenden Ausgangszellen empfangen, und fanden heraus, dass diese Verbindungen zu einer Hirnregion führten, die an der Regulierung der Körpertemperatur beteiligt ist. Als sie diese nachgeschalteten Neuronen künstlich aktivierten, sank die Körpertemperatur der Mäuse, was bestätigte, dass dieser spezifische Pfad den Wärmeverlust steuert. In einem separaten Experiment verfolgten sie die Verbindungen von derselben Ausgangsregion zu einer anderen Hirnregion, die mit Angstzuständen in Verbindung steht. Als sie die Neuronen aktivierten, die Signale von den Glutamat-freisetzenden Startern in dieser zweiten Region empfangen, zeigten die Mäuse verstärkt angstähnliche Verhaltensweisen. Im Gegensatz dazu stellten sie bei ähnlichen Experimenten mit den GABA-freisetzenden Ausgangsneuronen keine derartigen Effekte auf Temperatur oder Angst fest.
Diese Arbeit zeigt, dass das neue Toolkit erfolgreich spezifische Arten von Neuronen mit ihren direkten Zielen verknüpfen und anschließend die Funktion dieser Verbindungen aufzeigen kann. Durch die Kombination der Fähigkeit, die Verschaltung des Gehirns zu verfolgen, mit der Fähigkeit, diese Drähte ein- oder auszuschalten, konnten die Forscher zeigen, dass unterschiedliche Arten von Neuronen in derselben Hirnregion Signale an unterschiedliche Ziele senden, um verschiedene Verhaltensweisen zu steuern. Die Studie etabliert eine zuverlässige Methode für Wissenschaftler, die funktionelle Architektur des Gehirns zu erforschen, und bietet eine klarere Sicht darauf, wie spezifische neuronale Schaltkreise die komplexe Physiologie und das Verhalten lebender Tiere antreiben.
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