Los neurocientíficos han publicado en neurona los detalles de una nueva y revolucionaria forma de mapear el cerebro en la resolución de neuronas individuales, que han demostrado con éxito en el cerebro del ratón.
El nuevo método, llamado MAPseq Análisis multiplexado de proyecciones por secuenciación, hace posible en un solo experimento rastrear las proyecciones de largo alcance de un gran número de neuronas individuales desde una región o regiones específicas hasta donde sea que conduzcan en el cerebro.- en experimentos que son muchas veces menos costosos, laboriosos y requieren más tiempo de lo que permiten las tecnologías cartográficas actuales.
Aunque ahora se están llevando a cabo varios proyectos importantes de mapeo cerebral, todos estos esfuerzos para obtener "conectomas" o mapas de cableado se basan en microscopios y equipos ópticos relacionados para rastrear la miríada de proyecciones en forma de hilos que conectan las neuronas con otrasneuronas, cercanas y lejanas. Por primera vez, MAPseq "convierte la tarea de mapeo cerebral en una de secuenciación de ARN", dice su inventor, Anthony Zador, MD, Ph.D., profesor en Cold Spring Harbor Laboratory.
"Las secuencias de ARN, o 'códigos de barras', que entregamos a neuronas individuales son inconfundiblemente únicas", explica Zador, "y esto nos permite determinar si las neuronas individuales, a diferencia de regiones enteras, están diseñadas para objetivos específicos".
MAPseq difiere de los llamados métodos de "rastreo masivo" que ahora se usan comúnmente, en los que un marcador, típicamente una proteína fluorescente, es expresado por neuronas y transportado a lo largo de sus axones. Dichos marcadores son buenos para determinar todas las regionesadonde se proyectan las neuronas de la región de origen, pero no pueden decirles a los científicos que dos neuronas de la región de origen se proyectan a la misma región, a regiones diferentes o a algunas de las mismas regiones y otras diferentes. Esa incapacidad para resolver un problemaLos destinos axonales de las neuronas, célula por célula en una región determinada, es lo que motivó a Zador a idear una nueva técnica.
Una forma de explicar la ventaja de MAPseq sobre los métodos de rastreo masivo es imaginarse que se encuentra en un aeropuerto internacional, con la intención de tomar un vuelo a, digamos, Alemania. "Si va a la terminal internacional, verá una largalínea de mostradores de boletos ", explica Zador." Si quieres ir a Alemania, no es suficiente con tomar cualquier aerolínea en la terminal internacional. Si haces cola en el mostrador de Air Chile, probablemente nocapaz de comprar un billete para Alemania ".
"Esas muchas aerolíneas cuyos mostradores están adyacentes sirven a muchos destinos, algunos de los cuales se superponen, algunos de los cuales son únicos. Puede imprimir un mapa que muestre todos los países extranjeros a los que operan todas las aerolíneas desde su aeropuerto, pero eso noNo te digo nada sobre aerolíneas individuales y adónde van. Ésta es la diferencia entre los métodos de etiquetado actuales y MAPseq. Las 'aerolíneas individuales' en mi ejemplo son neuronas adyacentes en una parte del cerebro cuyas 'rutas' queremosrastro."
Zador y su equipo, incluido Justus Kebschull, un estudiante de posgrado en su laboratorio que es el primer autor del neurona artículo que presenta el nuevo método, han pasado varios años trabajando en una tecnología que les permite asignar identificadores únicos similares a códigos de barras a un gran número de neuronas individuales mediante una sola inyección en cualquier región del cerebro de interés. Cada inyección consiste en un virus desactivadoque ha sido diseñado para contener grupos masivos de moléculas de ARN individualmente únicas, cada una de cuyas secuencias, que consta de 30 "letras" o nucleótidos, está ocupada por neuronas individuales. Treinta letras producen muchas, muchas veces más secuencias de códigos de barras 1018 que hay neuronas en el ratón o en el cerebro humano, por lo que este método es especialmente adecuado para el problema de complejidad masiva que presenta el mapeo cerebral.
Una inyección en una región de "fuente" del cerebro contiene una biblioteca viral que codifica una colección diversa de secuencias de códigos de barras, que están unidas a una proteína diseñada para llevar el código de barras a lo largo de las vías axonales. El ARN del código de barras se expresa en valores altosniveles y transportado a las terminales de los axones en la región de origen donde se realiza la inyección. En cada neurona, viaja hasta el punto donde el axón forma una sinapsis con una proyección de otra neurona. Las pruebas muestran que la tecnología funciona: los códigos de barrasviajan de manera confiable y uniforme por todo el cerebro, a lo largo de las "líneas troncales" que son los axones, y hacia los "puntos de ramificación" donde se forman las sinapsis.
Aproximadamente dos días después de que se realizan una o más inyecciones en una región de interés, se diseca el cerebro y se recolecta y secuencia el ARN. Los códigos de barras de ARN en el área de "fuente" ahora coinciden con los mismos códigos de barras recolectados en partes distantes delcerebro.
"La secuenciación del ARN es un proceso automatizado altamente eficiente, lo que hace que MAPseq sea una herramienta potencialmente radical", dice Kebschull. "Además de la velocidad y economía de la secuenciación del ARN, tiene la gran ventaja de hacer posible que los investigadorespara distinguir entre neuronas individuales dentro de la misma región que se proyectan a diferentes partes del cerebro ".
Para demostrar las capacidades de MAPseq, el equipo de Zador inyectó una parte del cerebro del ratón llamada locus coeruleus LC, ubicado en el tallo cerebral. Es la única fuente de noradrenalina de la corteza, una hormona que indica sorpresa. El equipo de Zador usó MAPseq paraabordar una vieja pregunta: ¿la señal de "sorpresa" se transmite a todas partes de la corteza, o solo a lugares particulares, donde, tal vez, es más necesaria o relevante?
En su experimento de demostración, solo se secuenció el ARN que terminó en la corteza o el bulbo olfatorio, junto con el de la región de origen en la LC donde se inyectaron originalmente los códigos de barras. El equipo dividió la corteza en 22 cortes, cada uno de unos 300micrones de espesor y diseccionaron las rodajas. Los resultados fueron emocionantes para el equipo.
"Encontramos que las neuronas en el LC tienen una variedad de patrones de proyección idiosincrásicos", dice Zador. "Algunas neuronas se proyectan casi exclusivamente a un único objetivo preferido en la corteza o bulbo olfativo. Otras neuronas se proyectan de manera más amplia, aunque débil".
Estos resultados, agrega, "son consistentes y concilian resultados previos aparentemente contradictorios sobre las proyecciones de LC". La señal sorpresa puede llegar a la mayoría de las partes del cerebro, pero hay partes muy específicas del cerebro donde la señal es especialmenteenfocado.
El equipo demostró que se podían obtener resultados en experimentos basados en una inyección en el LC, y también en dos inyecciones, en lados opuestos. Ya están en curso experimentos en los que se está "embaldosando" toda la corteza con inyecciones. Se esperaesto producirá el primer conectoma de toda la corteza en resolución de una sola neurona.
"Una vez que automatizamos el proceso de usar muchas inyecciones, creemos que este tipo de experimento puede ser completado por una sola persona en solo una semana o dos, y con un costo de solo unos pocos miles de dólares", dice Zador.están muy interesados en poder hacer este tipo de estudios en un solo animal, lo que eliminará el problema pasado de inyectar múltiples animales para rastrear múltiples neuronas, un método que requiere que uno haga un solo mapa basado en muchos cerebros, cada uno de los cualeses algo diferente ".
El próximo objetivo de Zador con MAPseq es mapear los cerebros de animales que modelan diversas enfermedades neuropsiquiátricas y del neurodesarrollo, para ver cómo las mutaciones genéticas fuertemente asociadas con la causalidad alteran la estructura de los circuitos cerebrales y, por lo tanto, presumiblemente, la función cerebral.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio de Cold Spring Harbor . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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