Создан самый большой атлас клеток головного мозга

Исследователи создали самый большой на данный момент атлас клеток человеческого мозга, в котором описано более 3000 типов клеток, многие из которых являются новыми для науки. Работа, опубликованная в пакете из 21 статьи в журналах Science, Science Advances и Science Translational Medicine, поможет, среди прочего, изучению болезней, познания и того, что делает нас людьми, говорят авторы.

Огромный клеточный атлас предлагает подробный снимок самого сложного из известных органов. «Это очень важно», — говорит Энтони Ханнан, нейробиолог из Института неврологии и психического здоровья Флори в Мельбурне, Австралия.

Исследователи ранее картировали человеческий мозг с помощью таких методов, как магнитно-резонансная томография, но это первый атлас всего человеческого мозга на уровне отдельных клеток, показывающий его сложные молекулярные взаимодействия, добавляет Ханнан. «Подобные атласы действительно закладывают основу для гораздо лучшего понимания человеческого мозга».

Исследование является частью Инициативы по развитию инновационных нейротехнологий — Сети переписи клеток (BICCN), созданной в результате сотрудничества сотен ученых.

Цели программы включают каталогизацию типов клеток головного мозга человека, приматов и мышей, чтобы улучшить понимание клеточных механизмов, лежащих в основе малоизученных заболеваний головного мозга. Данные 21 исследования были опубликованы в онлайн-репозитории Neuroscience Multi-omic Archive.

Клеточный зоопарк

Кимберли Силетти, нейробиолог из Университетского медицинского центра Утрехта в Нидерландах, и ее команда заложили краеугольный камень для атласа, секвенировав РНК более чем 3 миллионов отдельных клеток из 106 мест, охватывающих весь человеческий мозг, используя образцы тканей из трех умершие доноры мужского пол.

Они также включали одно исследование моторной коры головного мозга женщины-донора, которое использовалось в предыдущих исследованиях. Их анализ зафиксировал 461 широкую категорию клеток головного мозга, включающую более 3000 подтипов. «Я была удивлена тем, сколько там было разных типов клеток», — говорит Кимберли Силетти.

Нейроны — клетки мозга и нервной системы, которые отправляют и получают сигналы — сильно отличаются друг от друга в разных частях мозга, что предполагает разные функции и истории развития.

Сочетание нейронов и других типов клеток также различалось в каждом регионе; некоторые клетки были обнаружены только в определенных местах.

Ствол мозга — относительно малоизученная структура, соединяющая головной и спинной мозг — содержит особенно большое количество типов нейронов, говорит соавтор исследования Стен Линнарссон, биолог молекулярных систем из Каролинского института в Стокгольме, Швеция. «Одним из больших сюрпризов является то, насколько невероятно сложен ствол мозга».

Другие исследования изучали механизмы регуляции и экспрессии генов в различных клетках. Джозеф Экер, молекулярный биолог из Института биологических исследований Солка в Ла-Хойе, и его коллеги исследовали мозг через эпигенетическую линзу, используя образцы тканей от тех же трех доноров.

Они проанализировали химические маркеры, которые включают или выключают гены в более чем 500 000 отдельных клетках. Различные молекулы, действовавшие как переключатели, позволили команде идентифицировать около 200 типов клеток мозга. Даже один и тот же ген в клетке одного и того же типа может иметь разные характеристики в мозге. Один ген был включен одним переключателем в передней части мозга, а другим — в задней. «Существуют значительные региональные различия», — говорит соавтор исследования Вэй Тянь, компьютерный биолог из Института Солка.

По словам Экера, выявление переключателей, которые активируют или блокируют экспрессию генов в клетках головного мозга, может быть полезно для диагностики заболеваний головного мозга и разработки индивидуальных методов лечения. «Это еще один инструмент, который появляется из набора аозможностей, который мы создаем», — говорит он.

Риск заболевания

Улучшение понимания того, как генетические переключения могут способствовать риску заболеваний, также было в центре внимания Бинг Рена, молекулярного биолога из Калифорнийского университета в Сан-Диего, и его команды.

Они проанализировали, как более миллиона клеток мозга трех доноров получают доступ к генетической информации и используют ее. Исследователи обнаружили связь между определенными типами клеток головного мозга и нервно-психическими расстройствами, включая биполярное расстройство, депрессию и шизофрению.

Рен и его коллеги использовали данные о типах клеток, чтобы предсказать, как генетические переключатели влияют на регуляцию генов и увеличивают риск неврологических заболеваний.

Например, в клетках, называемых микроглией, которые удаляют мертвые или поврежденные клетки, наличие некоторых генетических переключателей было тесно связано с риском болезни Альцгеймера. Такие результаты можно использовать для проверки того, способствуют ли определенные гены или дефектные переключатели непосредственно возникновению заболевания. «Это стало возможным, потому что мы впервые определили генетические переключатели для сотен различных типов клеток», — говорит Бинг Рен.

«Следующим шагом команды BICCN станет секвенирование большего количества клеток из всех частей мозга», — говорит Рен. Исследователи также будут работать с большим количеством образцов тканей, чтобы построить картину того, как человеческий мозг может различаться в зависимости от населения и возрастных групп. «Это только начало».