В рамках международного сотрудничества исследователи совершили большой прорыв в области нейронаук: они разработали первую полную карту клеток мозга млекопитающего — мыши. Эта работа характеризует более 32 миллионов клеток. Новый инструмент, который поможет нам лучше понять мозг и неврологические заболевания.
Впервые исследователи создали полный атлас клеток всего мозга млекопитающего. Этот атлас представляет собой своего рода полную «карту мозга» мышей, описывая тип, расположение и молекулярную информацию о более чем 32 миллионах клеток и предоставляя информацию о связях между ними. Это значительный прогресс в нашем понимании мозга млекопитающих, обеспечивающий беспрецедентный обзор структуры и функций мозга.
Это исследование, поддержанное Инициативой BRAIN Национального института здоровья США, начатое в 2014 году, и подробно изложенное в серии из 10 статей, опубликованных в журнале , проливает свет на сложное клеточное разнообразие мозга и даст ценные подсказки к механизмам развития неврологических заболеваний.
Расшифровка клеточного разнообразия
Недавнее картирование мозга мыши выявило поразительное клеточное разнообразие, намного превзошедшее ожидания ученых. Это исследование подтверждает сложность мозга млекопитающих, в котором выявлено более 5300 различных типов клеток. Каждый тип клеток, характеризующийся уникальными функциями и характеристиками, вносит свой вклад в функциональное богатство мозга. Это ранее недооцененное разнообразие подчеркивает сложность нейронных сетей и биологических процессов, лежащих в основе поведения, познания и эмоциональных реакций млекопитающих. Выделение этого клеточного разнообразия должно привести к лучшему пониманию того, как эти различные типы клеток взаимодействуют и сотрудничают, обеспечивая бесперебойную работу мозга.
Чтобы добиться такого детального картирования, исследователи использовали передовые методы, в частности пространственную транскриптомику. Этот метод позволяет анализировать генетическую экспрессию клеток с сохранением их пространственного расположения в мозге. Другими словами, он предлагает двойное видение: специфической генетической активности каждой клетки и ее точного положения в сложной структуре мозга.
В дополнение к этой структурной информации клеточный атлас предоставляет невероятно подробный каталог транскриптома клетки — полного набора показаний генов в клетке, содержащих инструкции по созданию белков и других клеточных продуктов. Транскриптомная информация, включенная в атлас, организована иерархически, подробно описывая классы клеток, подклассы и тысячи групп отдельных клеток в мозге.
Атлас также характеризует клеточный эпигеном — химические модификации ДНК и хромосом клетки, которые влияют на то, как выражается генетическая информация клетки. В атласе подробно описаны тысячи эпигеномных типов клеток и миллионы генов-кандидатов в регуляторные элементы для различных типов клеток мозга.
Такой подход позволил составить карту не только различных типов клеток, но и их взаимодействия и расположения, что дает более глубокое понимание того, как устроены и взаимодействуют клетки мозга.
Сравнение между примитивными приматами и людьми
Углубленное изучение мозга мышей было дополнено сравнительным анализом мозга человека и примитивных приматов, что позволило исследователям лучше понять эволюцию процессов регуляции генов. Они обнаружили, что паттерны экспрессии генов, характерные только для определенных типов клеток, развиваются быстрее, чем те, которые являются общими для нескольких типов клеток.
Это наблюдение позволяет предположить, что эволюционное давление сильнее действует на гены, которые придают специфические характеристики различным типам клеток мозга. Это открытие имеет важные последствия для понимания развития клеточного разнообразия в мозге в ходе эволюции — что привело к усложнению и специализации функций мозга у млекопитающих, в частности у человека.
Один из авторов работы, Бинг Рен, профессор Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего, объясняет в пресс-релизе: «ДНК клетки подобна ее языку. Так же как существуют определенные корни слов, общие для многих языков, есть определенные гены и паттерны экспрессии генов, которые сохраняются у разных видов. Научившись понимать и интерпретировать молекулярный язык мозга, мы сможем больше узнать о том, как работает мозг в целом и что происходит с ним при нервно-психических заболеваниях«.
Последствия для медицинских исследований
Детальное картирование клеток мозга мыши вносит значительный вклад в наше понимание неврологических заболеваний. Выявляя различные типы клеток и анализируя их взаимодействие, это исследование представляет собой настоящий атлас ценной информации о молекулярных механизмах, лежащих в основе этих патологий. Наблюдая за изменениями в экспрессии генов или аномалиями в распределении клеток, исследователи могут выявить специфические закономерности, связанные с определенными заболеваниями.
Этот подход, вероятно, позволит лучше понять, как такие заболевания, как болезнь Альцгеймера, рассеянный склероз и болезнь Паркинсона, изменяют структуру и функции мозга. Затем ученые смогут разработать терапию, направленную на клетки или клеточные сети.
Ученые планируют распространить это исследование на мозг человека и других приматов. Это расширение может произвести революцию в нашем понимании мозга, его функционирования, развития и эволюции.