Forscher kartieren Tausende von Gehirnverbindungen mit RNA-Barcodes

Diese Technik könnte Forschern dabei helfen, besser zu verstehen, wie komplexe Gehirnnetzwerke organisiert sind, wie sie funktionieren und welche Veränderungen eintreten, wenn etwas schiefgeht. Sie könnte zudem neue Einblicke in die Entstehung und den Verlauf neurodegenerativer Erkrankungen bieten. „Wenn man einen Computer entwickelt, muss man die Schaltung der Zentralverarbeitungseinheit kennen.

Wenn man nicht weiß, wie alles miteinander verbunden ist, kann man seine Funktion nicht verstehen, ihn nicht optimieren oder ihn reparieren, wenn etwas kaputtgeht." „Wir nähern uns dem Gehirn auf dieselbe Weise", sagte Studienleiter Boxuan Zhao, Professor für Zell- und Entwicklungsbiologie an der University of Illinois Urbana-Champaign. „Unsere Technologie ermöglicht die gleichzeitige Kartierung einer Auflösung auf Ebene einzelner Synapsen – eine Fähigkeit, die in keiner derzeitigen Technologie existiert.

Sie ist direkt anwendbar, um Funktionsstörungen zu verstehen, und könnte eine Plattform für die Entwicklung ", sagte er. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Methods veröffentlicht. Warum die traditionelle Gehirn-Kartierung so herausfordernd ist Die Erstellung einer Gehirn-Karte war historisch gesehen langsam und schwierig.

Forscher mussten das Gehirngewebe typischerweise

Forscher mussten das Gehirngewebe typischerweise in extrem dünne Schnitte zerlegen, diese Schnitte mit Mikroskopen abbilden und die Verbindungen anschließend manuell rekonstruieren.

Während neuere Sequenzierungsbasierte Werkzeuge viele Neuronen gleichzeitig markieren können, zeigen sie in der Regel lediglich, wo sich ein Neuron erstreckt, statt den genauen Partner zu identifizieren, mit dem es an der Synapse verbunden ist, so Zhao. Connectome-seq verwandelt Gehirnvernetzung in Sequenzierungsdaten. Um diese Grenzen zu überwinden, entwickelte Zhaos Team ein System namens Connectome-seq.

Dieses Verfahren verwendet RNA-Barcodes, um jedes Neuron eindeutig zu kennzeichnen. Spezialisierte Proteine transportieren diese Barcodes vom Zellkörper des Neurons zur Synapse, dem Ort, an dem sich zwei Neuronen treffen. Anschließend werden die synaptischen Verbindungen isoliert und mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung analysiert.

Moegliche Anwendungen

Durch das Lesen, welche Barcode-Paare gemeinsam auftreten, können Wissenschaftler feststellen, welche Neuronen direkt miteinander verbunden sind, was eine großflächige Kartierung neuronaler Netzwerke ermöglicht. „Wir haben das Problem der neuronalen Vernetzung in ein Sequenzierungsproblem übersetzt.

Stellen Sie sich eine große Gruppe örper jedes Ballons ist mit einzigartigen Barcode-Aufklebern bedeckt, und einige davon gleiten bis zum Ende des Fadens." „Wenn zwei Ballons an den Enden verbunden sind, treffen sich die beiden Barcodes an der Verbindungsstelle", sagte Zhao. „Dann schneiden wir die Knoten heraus und sequenzieren die Barcodes in jedem einzelnen.

Wenn derselbe Knoten Aufkleber vom Ballon A und vom Ballon B enthält, wissen wir, dass diese beiden Ballons miteinander verbunden sind.

Moegliche Anwendungen

Wir machen dies im Gehirn, lediglich auf der Ebene diesen Informationen können wir eine komplexe Karte rekonstruieren, die die Verbindungen zwischen all diesen scheinbar fluktuierenden Gruppen darstellt." Entdeckung neuer neuronaler Verbindungen im Gehirn Unter Verwendung mehr als 1.000 Neuronen innerhalb eines Mausgehirnschaltkreises, bekannt als pontocerebellarer Schaltkreis, der zwei getrennte Gehirnregionen verbindet.

Diese Analyse offenbarte zuvor unbekannte Muster der Vernetzung, darunter direkte Verbindungen zwischen Zelltypen, die im erwachsenen Gehirn bisher nicht als verbunden nachgewiesen waren. „Mit bereits laufenden Verbesserungen in unserem Labor sind wir zuversichtlich, die Methode noch weiter zu optimieren und langfristig das Ziel zu erreichen, das gesamte Mausgehirn zu kartieren", sagte Zhao.

Implikationen für Alzheimer und Gehirnerkrankungen Da Connectome-seq sowohl schnell ist als auch große Bereiche erfassen kann, könnte es die Forschung zu neurodegenerativen Erkrankungen, psychiatrischen Störungen und anderen neurologischen Zuständen beschleunigen.

Durch den Vergleich mit denen

Durch den Vergleich mit denen in verschiedenen Krankheitsstadien könnten Wissenschaftler frühe Veränderungen in neuronalen Schaltkreisen identifizieren. „Durch sequenzierungsbasierte Ansätze werden Zeit und Kosten erheblich reduziert, was es tatsächlich ermöglicht, Unterschiede zwischen verschiedenen Gehirnen sichtbar zu machen.

Wir könnten erkennen, wo sich Verbindungen verändern, welche Bereiche des Gehirns besonders anfällig sind – möglicherweise sogar noch bevor Symptome auftreten", sagte Zhao.

Zum Beispiel: Wenn wir genau identifizieren können, wo die schwache Stelle liegt, die die gesamte katastrophale Kaskade bei der Alzheimer-Krankheit auslöst, können wir diese Verbindungen gezielt stärken, sodass die Krankheit verlangsamt wird oder nicht fortschreitet?

Moegliche Anwendungen

Referenz: „Connectome-seq: Hochdurchsatzkartierung der neuronalen Vernetzung mit Einzelsynapsen-Auflösung mittels Barcode-Sequenzierung", Alina Isakova, Zhou Wan, Mark J. Wagner, Yunming Wu und Boxuan Simen Zhao, 12. März 2026, Nature Methods.

DOI: 10.1038/s41592-026-03026-9 Die Forschung wurde durch ein Grant des Neuro-omics Initiative vom Wu Tsai Neurosciences Institute der Stanford University sowie durch Fördermittel der Elsa U. Pardee Foundation und der Edward Mallinckrodt Jr. Foundation unterstützt.