WTR: A Toolkit for Functional Anterograde Transsynaptic Circuit Mapping
De auteurs ontwikkelden WTR, een veelzijdige via AAV geleverde fusie-eiwittoolkit die celtype-specifieke anterograde transsynaptische labeling, registratie en manipulatie van downstream neuronen mogelijk maakt om neurale circuits functioneel in kaart te brengen, zoals aangetoond door de toepassing ervan bij het ontleden van thermoregulatie- en stressresponsroutes in de hypothalamus.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
De hersenen zijn een uitgestrekt netwerk van miljarden cellen, die elk met duizenden anderen verbonden zijn en complexe circuits vormen die alles aansturen, van ademhaling tot denken. Om te begrijpen hoe dit systeem werkt, moeten wetenschappers de verbindingen tussen deze cellen in kaart brengen, vergelijkbaar met een elektricien die draden volgt om te zien hoe een huis is bedraad. Decennialang hadden onderzoekers krachtige hulpmiddelen om verbindingen achteruit te traceren, waarbij werd vastgesteld welke cellen signalen naar een specifiek doelwit sturen. Het traceren van verbindingen voorwaarts—zien welke cellen signalen ontvangen vanaf een startpunt—bleef echter moeilijk. Bestaande instrumenten voor deze voorwaartse mapping missen vaak precisie, kunnen toxisch zijn voor de cellen die ze bestuderen, of slagen er niet in om onderscheid te maken tussen verschillende soorten neuronen. Zonder een duidelijke manier om het signaal voorwaarts te volgen, worstelen wetenschappers met de vraag hoe specifieke groepen neuronen complexe gedragingen of fysiologische processen aansturen.
Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe toolkit ontwikkeld die ontworpen is om dit probleem op te lossen, waardoor zij de voorwaartse paden van de hersenen met hoge precisie en minimale schade aan de cellen in kaart kunnen brengen. Ze creëerden een moleculair hulpmiddel genaamd WTR, dat fungeert als een genetisch gecodeerde tracer. Dit hulpmiddel is gebouwd van een eiwit dat van nature in tarwekiem voorkomt, bekend om zijn vermogen om langs zenuwvezels te reizen, maar het is geherprogrammeerd om een specifieke genetische instructie te dragen. Wanneer wetenschappers dit hulpmiddel in een specifieke groep startneuronen introduceren, reist het hulpmiddel over de synaps—de minuscule opening waar neuronen communiceren—naar de eerstvolgende set neuronen in de keten. Eenmaal daar aangekomen, activeert het een genetische schakelaar die een fluorescent marker, een lichtgevoelig eiwit, of een chemische sensor in die downstream-cellen kan inschakelen. Hierdoor kunnen onderzoekers niet alleen zien waar de verbindingen naartoe gaan, maar ook de activiteit ervan registreren of deze manipuleren om te zien hoe ze het gedrag van het dier beïnvloeden.
De onderzoekers testten dit nieuwe systeem in muizen, waarbij ze zich concentreerden op een gebied in de hersenen genaamd het preoptische gebied van de anterior hypothalamus, dat bekend staat om het reguleren van de lichaamstemperatuur en stressreacties. Ze wilden zien of ze de verschillende paden konden onderscheiden die door twee soorten neuronen in dit gebied worden genomen: die welke een chemische stof genaamd glutamaat gebruiken om signalen te sturen, en die welke GABA gebruiken. Met behulp van hun nieuwe toolkit injecteerden ze de tracer in deze specifieke startneuronen en observeerden ze waar het naartoe reisde. Ze ontdekten dat het hulpmiddel bijna uitsluitend in de voorwaartse richting bewoog, waarbij het de volgende set neuronen bereikte zonder significant achterwaarts te reizen of over te springen naar cellen verderop in de lijn. Dit bevestigde dat het hulpmiddel in staat is om de eerste stap van een neuraal pad nauwkeurig in kaart te brengen zonder de weg kwijt te raken of valse verbindingen te creëren.
Om te garanderen dat het hulpmiddel werkte zoals bedoeld, vergeleek het team het met oudere methoden. Ze stelden vast dat hun nieuwe systeem efficiënter was in het labelen van de doelneuronen dan eerdere instrumenten, en identificeerde succesvol verbindingen die anderen wellicht gemist zouden hebben. Cruciaal was dat ze verifieerden dat de door hen gelabelde neuronen inderdaad direct verbonden waren met de startcellen. Door middel van elektrische metingen toonden ze aan dat wanneer ze de startneuronen stimuleerden, de gelabelde doelneuronen reageerden met een direct, enkelstapsignaal, wat bewees dat het hulpmiddel werkelijke, directe verbindingen had geïdentificeerd in plaats van indirecte.
Met de mapping bevestigd, gebruikten de onderzoekers de toolkit om te onderzoeken wat deze specifieke verbindingen daadwerkelijk doen. Ze richtten zich op de neuronen die signalen ontvingen van de glutamaat-vrijgevende startcellen en ontdekten dat deze verbindingen leidden naar een hersengebied dat betrokken is bij de regulatie van de lichaamstemperatuur. Wanneer ze deze downstream-neuronen kunstmatig activeerden, daalde de lichaamstemperatuur van de muizen, wat bevestigde dat dit specifieke pad warmteverlies reguleert. In een apart experiment volgden ze de verbindingen van hetzelfde startgebied naar een ander hersengebied dat betrokken is bij angst. Toen ze de neuronen activeerden die signalen ontvingen van de glutamaat-vrijgevende starters in dit tweede gebied, vertoonden de muizen verhoogd angstgedrag. In contrast hiermee, toen ze soortgelijke experimenten uitvoerden met de GABA-vrijgevende startneuronen, merkten ze geen dergelijke effecten op temperatuur of angst op.
Dit werk demonstreert dat de nieuwe toolkit erin slaagt om specifieke typen neuronen succesvol te koppelen aan hun directe doelwitten en vervolgens de functie van die verbindingen te onthullen. Door het vermogen om de bedrading van de hersenen te traceren te combineren met het vermogen om die draden aan of uit te zetten, waren de onderzoekers in staat aan te tonen dat verschillende typen neuronen in hetzelfde hersengebied naar verschillende bestemmingen sturen om verschillende gedragingen te controleren. De studie vestigt een betrouwbare methode voor wetenschappers om de functionele architectuur van de hersenen te verkennen, wat een helderder beeld biedt van hoe specifieke neurale circuits de complexe fysiologie en gedragingen van levende dieren aansturen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.