Gehirnmodelle neu gedacht: Die Fusion von 3D-Drucktechnologie und Neuronen-Mapping

MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Forscher erzielen bedeutende Durchbrüche. 3D-gedrucktes Gehirngewebe wurde entwickelt, das menschliche Funktionen nachahmt. Desweiteren wurde die bisher umfassendste Datenbank von Neuronen-Verbindungen im Mäuse-Hippocampus erstellt.

Forscher der Universität Wisconsin–Madison haben das erste 3D-gedruckte Gehirngewebe entwickelt, das wachsen und funktionieren kann wie typisches Gehirngewebe. Diese bahnbrechende Entwicklung hat weitreichende Implikationen für die Untersuchung des Gehirns und die Behandlung einer Vielzahl neurologischer und neurodevelopmentaler Störungen, einschließlich Alzheimer und Parkinson. „Dies könnte ein enorm mächtiges Modell sein, um zu verstehen, wie Gehirnzellen und Teile des Gehirns bei Menschen kommunizieren,“ sagt Su-Chun Zhang, Professor für Neurowissenschaft und Neurologie am Waisman Center der UW–Madison.

Parallel dazu wurde in einer in Science veröffentlichten Studie eine umfassende Datenbank einzelner Neuronen-Projektome vorgestellt, die über 10.000 Neuronen der Maushippocampus umfasst. Diese offenbart die räumlichen Verbindungsmuster von Neuronen des Maushippocampus auf mesoskopischer Ebene. Das Hippocampus ist ein wesentlicher Bereich des Gehirns für Lernen und Gedächtnis sowie verschiedene Gehirnfunktionen wie räumliche Kognition und emotionale Verarbeitung.

Die 3D-Drucktechnik der Wisconsin-Madison-Forscher unterscheidet sich von früheren Versuchen durch den horizontalen Schichtaufbau und die Verwendung eines weicheren „Bio-Tints“ Gels, wodurch Neuronen in der Lage sind, sich zu verbinden und Netzwerke zu bilden, die den menschlichen Gehirnen ähneln. „Selbst als wir verschiedene Zellen druckten, die zu verschiedenen Teilen des Gehirns gehören, konnten sie immer noch auf eine sehr spezielle und spezifische Weise miteinander kommunizieren,“ fügt Zhang hinzu.

Die Studie zur Neuronen-Verbindungskarte kategorisierte axonale Trajektorien mit Hilfe von maschinellem Lernen, was eine effizientere Analyse der morphologischen Ähnlichkeiten unter 341 Projektionsmustern für Maus-Hippocampus-Neuronen ermöglichte und letztlich 43 verschiedene Projektom-Zelltypen identifizierte. Dieser Ansatz ermöglicht es, die axonalen Projektionswege von Hippocampus-Neuronen entlang der anterior-posterioren Achse zu entschlüsseln und neue Projektionsmuster zu enthüllen.

Diese Forschungsarbeiten bieten eine strukturelle Grundlage für zukünftige Studien zu Hippocampus-Funktionen und entschlüsseln die potenziellen Korrespondenzen zwischen ihren Somastandorten, Genexpression und Schaltkreisfunktionen. Die 3D-gedruckten Gehirngewebe könnten zur Untersuchung der Signalübertragung zwischen Zellen bei Down-Syndrom, der Wechselwirkungen zwischen gesundem Gewebe und von Alzheimer betroffenem Gewebe, dem Testen neuer Medikamentenkandidaten oder sogar dem Beobachten des Gehirnwachstums verwendet werden.

„In der Vergangenheit haben wir oft nur eine Sache zur Zeit betrachtet, was bedeutet, dass wir oft einige kritische Komponenten übersehen haben. Unser Gehirn funktioniert in Netzwerken. Wir wollen Gehirngewebe auf diese Weise drucken, weil Zellen nicht für sich allein operieren. Sie kommunizieren miteinander. So funktioniert unser Gehirn und es muss alles zusammen wie dieses untersucht werden, um es wirklich zu verstehen,“ erklärt Zhang.

Die Datenbank für die hippocampalen Einzelneuron-Projektome, zusammen mit der Datenbank über die hippocampale Längsachse und räumlichen Transkriptome, sind nun öffentlich zugänglich durch das Digital Brain CEBSIT Portal (https://mouse.digital-brain.cn/hipp), um eine breitere Nutzung der Datenbanken zu erleichtern.

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