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Das Gehirn in High Definition verstehen: Schnelle, automatische Identifizierung einzelner lebender Gehirnzellen

Positionsvariation von Neuronen in der Kopfregion von adulten C. elegans

Nervenzellen sind wie junge Pflanzen geformt: große runde Samen (Zellkörper), umgeben von einem Nest aus krausen Wurzeln in einer Richtung (Dendriten) und einem einzelnen langen Stamm, der sich in die andere Richtung erstreckt (Axon). Dieses Bild zeigt Variationen in der Position einiger Neuronenzellkörper zwischen verschiedenen Tieren als Ellipsen. Jedes Neuron ist zufällig gefärbt. Neuronen sind in der Grafik von oben nach unten und von links nach rechts angeordnet, da sie sich in einem Wurm von Nase zu Schwanz (anterior-posterior) und von Rücken zu Bauch (dorsal-ventral) befinden. Bildnachweis: Toyoshima et al., 2020, DOI: 10.1186 / s12915-020-0745-2, CC BY-ND 4.0

Das Computerprogramm treibt die Bemühungen voran, jedes Neuron in Würmern abzubilden.

Forscher, die darauf hinarbeiten, das Gehirn in hochauflösenden Einzelzellen zu verstehen, haben ein neues Computerprogramm entwickelt, mit dem jede Nervenzelle in fluoreszierenden Mikroskopbildern lebender Würmer identifiziert werden kann. Frühere Versuche, die Identifizierung einzelner Nervenzellen zu automatisieren, wurden durch die Tatsache vereitelt, dass sich dieselbe Zelle an sehr unterschiedlichen Orten in verschiedenen Würmern befinden kann.

Die Würmer sind C. elegans, winzige Spulwürmer, die in Boden- und Forschungslabors auf der ganzen Welt verbreitet sind. Jede der 959 Zellen in den transparenten, 1 Millimeter langen Körpern der Tiere wurde identifiziert, benannt und kartiert, einschließlich ihrer 302 Nervenzellen.

Wissenschaftler vervollständigten die erste Karte der C. elegans Nervensystem im Jahr 1986 und haben es seitdem verbessert. Zu den neueren Projekten gehört OpenWorm, eine fortlaufende globale Anstrengung, eine zellenweise und verhaltensgenaue virtuelle zu entwerfen C. elegans – eine forschungswürdige Version eines Tamagotchi-Haustieres.

Kopfregion von gentechnisch veränderten C. elegans

Die zentralen DNA-haltigen Zellkörper von C. elegans-Neuronen sind mit den drei fluoreszierenden Farben dargestellt, die in dem vom Forscherteam entwickelten genetisch veränderten Stamm von C. elegans verwendet werden. Beachten Sie, wie benachbarte Zellen unterschiedliche Farben haben. Erfolgreich annotierte Neuronen sind mit Buchstaben gekennzeichnet, und Zellen, deren Identität nicht annotiert werden konnte, sind mit Zahlen gekennzeichnet. In diesem Bild sind nicht alle 302 C. elegans-Neuronen vorhanden. Bildnachweis: Toyoshima et al., 2020, DOI: 10.1186 / s12915-020-0745-2, CC BY-ND 4.0

Trotz ihres Wertes sind generalisierte Gehirnatlanten, sogenannte Connectome Maps, immer noch keine Hilfe bei der Identifizierung von Neuronen in einzelnen, lebenden, sich windenden Würmern.

„Stellen Sie sich vor, Sie wüssten die Namen aller Städte auf einer Karte, aber die Städte bewegten sich jedes Mal, wenn Sie hinschauten. So ist es, wenn man versucht, aktuelle Gehirnatlanten mit lebenden Organismen zu vergleichen “, sagte Professor Yuichi Iino von der Universität Tokio, Co-letzter Autor des kürzlich veröffentlichten Forschungspapiers in BMC Biology.

Iinos Forschungsgruppe möchte jede Nervenzelle im Leben identifizieren und kartieren C. elegans damit sie die Wege elektrischer Impulse aufzeichnen können, die Verhalten, Lernen und Gedächtnis ermöglichen.

C. elegans Gehirnneuronen sind nicht in einem Schädel gefangen, sondern bilden nur eine lose gepackte Gruppe von 150 Neuronen in der Kopfregion des Tieres.

„Die Neuronen sind winzig und im Kopf von C. elegans Sie umgeben diese große Zwiebel, die Teil des Verdauungssystems ist, und werden daher viel herumgeschoben und gezogen, wenn sich das Tier bewegt oder frisst “, erklärte Iino.

Die Forscher fanden zunächst einzigartige Kombinationen von Genen, die, wenn sie künstlich an fluoreszierende Proteinmarkierungen gebunden werden, dazu führen würden, dass 35 verschiedene kleine Gruppen von Neuronen unter einem Mikroskop leuchten.

Diese neuen gentechnisch veränderten Stämme von C. elegans ermöglichten alle nachfolgenden Bildstudien und Computerprogrammierungsarbeiten der Forscher.

Die Forscher identifizierten einzelne Neuronen in insgesamt 311 Würmern, etwa 10 Würmer für jede der 35 Neuronengruppen, und maßen die Abstände und relativen Positionen zwischen Neuronenpaaren in den Mikroskopbildern.

Obwohl bekannt war, dass sich Neuronen innerhalb jedes Wurms verschieben, erwartete niemand, dass die Neuronen bei verschiedenen Individuen unterschiedliche „Heimatbasis“ -Stellen haben würden. Die Positionen des zentralen Zellkörpers einiger Neuronen können zwischen verschiedenen Tieren um mehr als 0,02 Millimeter variieren, ein signifikanter Abstand für ein Tier, das nur 1 Millimeter lang ist.

“Individuell C. elegans werden als einheitlich angesehen, da sie alle fast die gleichen Zelllinien und einen stereotypen neuronalen Schaltkreis haben. Es war jedoch wirklich überraschend, wie groß die Positionsunterschiede zwischen einzelnen Tieren sind “, sagte Assistenzprofessor Yu Toyoshima, Co-Erstautor des kürzlich erschienenen Forschungspapiers und Mitglied des Iino-Labors.

Das Forschungsteam verwendete dann ihre neuen Positionsvariationsdaten und die C. elegans Connectome Brain Atlas zur Entwicklung eines Computerprogramms zur automatischen Identifizierung von Neuronen. Das Programm verwendet einen mathematischen Algorithmus, um ein Mikroskopbild des zu analysieren C. elegans Gehirn und weisen jedem Neuron die statistisch wahrscheinlichste Identität zu, basierend auf der Position dieses Neurons im Verhältnis zu anderen Neuronen.

“Der Algorithmus ist nur zu 60 Prozent genau, was für eine vollautomatische Zellidentifikation zu niedrig ist, aber er beschleunigt unsere Arbeit genug, um anderen Projekten das Verständnis neuronaler Netze zu ermöglichen, die auf Bildgebungsdaten des gesamten Gehirns basieren”, sagte Toyoshima.

Ein Teil dessen, was dieses Projekt in möglich gemacht hat C. elegans ist, dass jedes Neuron bereits bekannt und benannt war. Die Verwendung einer ähnlichen Technik bei anderen Tieren würde eine fein abgestimmte genetische Manipulation erfordern, damit Gruppen von Neuronen unter einem Mikroskop leuchten und wissen, wie viele Neuronen identifiziert werden müssen.

„Das menschliche Gehirn hat Milliarden von Neuronen, daher wäre es äußerst schwierig, unser eigenes Gehirn auf Einzelzellenebene zu verstehen. C. elegans Sie haben kleine Gehirne, können aber dennoch lernen und Verhaltensweisen ändern, sodass wir verstehen können, wie Netzwerke von Neuronen Verhalten erzeugen “, sagte Iino.

Referenz: „Der Neuron ID-Datensatz erleichtert die neuronale Annotation für die Bildgebung der Aktivität des gesamten Gehirns von C. elegans”Von Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Mond Sun Jang, Suzu Oe, Yuko Murakami, Takayuki Teramoto, Chanhyun Park, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida und Yuichi Iino, 19. März 2020, BMC Biology.
DOI: 10.1186 / s12915-020-0745-2