16.10.2023

Самая большая из когда-либо созданных карт человеческого мозга

Исследователи зарегистрировали более 3 000 различных типов клеток в нашем самом сложном органе.

Джемма Конрой (Gemma Conroy)

Изучение тысяч типов клеток мозга может улучшить понимание природы болезней и когнитивной функции мозга. Фото: Dennis Kunkel Microscopy/Science Photo Library

Исследователи создали крупнейший на сегодняшний день атлас клеток человеческого мозга, в котором описано более 3 000 типов клеток, многие из которых являются новыми для науки. Работа, опубликованная сегодня в серии  из 21 статьи в журналах Science, Science Advances и Science Translational Medicine, поможет в изучении природы болезней и когнитивной функции мозга, говорят авторы.

Огромный клеточный атлас позволяет получить подробный снимок самого сложного из известных органов. «Это очень важно», - говорит Энтони Ханнан, нейробиолог из Института неврологии и психического здоровья имени Флори в Мельбурне (Австралия). Исследователи уже составляли карты мозга человека с помощью таких методов, как магнитно-резонансная томография, но это первый атлас мозга человека на уровне отдельных клеток, показывающий его сложные молекулярные взаимодействия, добавляет Ханнан. «Подобные атласы действительно закладывают основу для более глубокого понимания человеческого мозга».

Исследование является частью программы Национального института здравоохранения США «Исследование мозга с помощью инновационных нейротехнологий» (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative - Cell Census Network - BICCN), в которой участвуют сотни ученых. В задачи программы входит каталогизация типов клеток мозга у человека, нечеловекообразных приматов и мышей для улучшения понимания клеточных механизмов, лежащих в основе малоизученных заболеваний мозга. Данные 21 исследования были размещены в открытом доступе в онлайновом репозитории Neuroscience Multi-omic Archive.

Клеточный зооуголок

Кимберли Силетти, нейробиолог, работающая сейчас в Медицинском центре Утрехтского университета (Нидерланды), и ее сотрудники заложили основу атласа, секвенировав РНК более 3 млн. отдельных клеток из 106 участков, охватывающих весь мозг человека, используя образцы тканей трех умерших мужчин-доноров. Кроме того, в атлас был включен один образец коры головного мозга, полученный от женщины-донора, который использовался в предыдущих исследованиях. В результате проведенного анализа была зафиксирована 461 широкая категория клеток мозга, включающая более 3 000 подтипов. «Я был удивлена тем, как много существует различных типов клеток,» - говорит Силетти.

Нейроны - клетки мозга и нервной системы, посылающие и принимающие сигналы, - широко варьировались в различных частях мозга, что свидетельствует о различных функциях и истории развития. Сочетание нейронов и других типов клеток также различалось в каждом регионе; некоторые клетки были обнаружены только в определенных местах. По словам соавтора исследования Стена Линнарссона, молекулярного биолога из Каролинского института в Стокгольме (Швеция), ствол мозга - относительно малоизученная структура, соединяющая головной и спинной мозг, - содержит особенно большое количество типов нейронов. «Одним из главных сюрпризов здесь является то, насколько невероятно сложным является ствол мозга».

Другие исследования были посвящены изучению механизмов регуляции и экспрессии генов в различных клетках. Джозеф Эккер, молекулярный биолог из Института биологических исследований Salk в Ла-Джолле (Калифорния), и его коллеги изучали мозг через призму эпигенетики, используя образцы тканей от тех же трех доноров. Они проанализировали химические маркеры, включающие или выключающие гены в более чем 500 000 отдельных клеток. Различные молекулы, выступающие в роли переключателей, позволили команде определить около 200 типов клеток мозга. Даже один и тот же ген в одном и том же типе клеток может иметь различные характеристики в разных отделах мозга. Один ген включался переключателем в передней части мозга, а другой - в задней. «Существуют поразительные региональные различия», - говорит соавтор исследования Вэй Тянь, специалист по вычислительной биологии из Института Salk.

Определение переключателей, активирующих или блокирующих экспрессию генов в клетках мозга, может оказаться полезным для диагностики заболеваний мозга и разработки индивидуальных методов лечения, считает Эккер. «Это еще один инструмент, который появится в нашем арсенале», - говорит он.

Риск заболевания

Бинг Рен (Bing Ren), молекулярный биолог из Калифорнийского университета в Сан-Диего, и его команда также стремились лучше понять, как генетические переключения могут способствовать риску развития заболеваний. Они проанализировали, как более миллиона клеток мозга трех доноров получают доступ к генетической информации и используют ее. Исследователи обнаружили связь между определенными типами клеток 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 повышают риск развития неврологических заболеваний. Например, в клетках микроглии, которые очищают мозг от мертвых или поврежденных клеток, наличие некоторых генетических переключателей было тесно связано с риском развития болезни Альцгеймера. Подобные находки могут быть использованы для проверки того, способствуют ли конкретные гены или неисправные переключатели непосредственному возникновению заболевания. «Это стало возможным благодаря тому, что мы впервые определили генетические переключатели для сотен различных типов клеток», - говорит Рен.

Следующим шагом команды BICCN будет последовательное изучение большего количества клеток из всех частей мозга, говорит Рен. Исследователи также будут работать с большим количеством образцов тканей, чтобы составить представление о том, как мозг человека может различаться в разных популяциях и возрастных группах. «Это только начало», - резюмирует Рен.

Источник: Nature.com