Исследователи изучают плодовую мушку, чтобы понять человеческий мозг

Человеческая нервная система подобна сложной электронной схеме. Когда "провода" пересекаются или цепи работают со сбоями, могут возникать такие состояния, как шизофрения или биполярное расстройство.

Ученые из Стэнфорда под руководством профессора биологии Ликуня Ло и профессора биоинженерии и прикладной физики Стивена Квейка сделали значительный шаг в этом направлении, создав детальный генетический "портрет" обонятельных нейронов плодовой мушки (Drosophila melanogaster) на уровне отдельных клеток. Их работа опубликована в журнале Cell.

Цель исследования — понять типы нейронов в относительно простом мозге мушки и определить молекулы, которые направляют точное соединение разных типов нейронов. В перспективе аналогичный подход планируется использовать для изучения гораздо более сложного клеточного состава человеческого мозга и, возможно, для "ремонта" неправильных соединений при нарушениях работы мозга.

Секвенирование РНК единичных клеток

Исследователи сосредоточились на клетках обонятельной (нюхательной) и сенсорной областей мозга мушки. Обонятельная система плодовой мушки — это простая и хорошо изученная цепь, что делает ее идеальной моделью. В обонятельном центре мозга мушки 50 типов центральных нейронов соединяются с 50 типами сенсорных нейронов, что позволяет мушке распознавать множество запахов.

Чтобы увидеть весь набор генов, экспрессируемых в этих клетках, команда использовала метод single-cell RNA sequencing, пионером которого является Квейк. Этот метод позволяет секвенировать всю матричную РНК (мРНК) в отдельной клетке. Постдок Хунцзе Ли и аспирант Феликс Хорнс адаптировали процесс для плодовой мушки, клетки которой малы и содержат гораздо меньше мРНК.

Комбинируя метод секвенирования РНК единичных клеток с детальными знаниями Ло об обонятельной цепи мушки, команда смогла создать первую "карту", показывающую, как активность конкретных генов/белков коррелирует с биологическим соединением компонентов нервной системы организма.

Определение типа клетки

Изучение мушки помогло, потому что за последние два десятилетия Ло и его лаборатория очень хорошо изучили функцию, физиологию и анатомию ее обонятельной системы. Хотя в научном сообществе все еще идут дебаты о том, сколько типов клеток в человеческом мозге (1000 или 10 000), количество типов клеток в обонятельной системе мушки уже известно. Это сделало простой организм идеальным полигоном для связи экспрессии генов с другими характеристиками типа клетки.

Новые данные

Исследование уже дало интересные данные о мозге мух. Например, ученые обнаружили, что во время развития, когда обонятельные нейроны выбирают партнеров для соединения, экспрессия генов у разных типов нейронов различается. Но по мере взросления мух паттерны экспрессии генов у разных нейрональных типов становятся неразличимыми. "Как только мозг "проводен", мухе не нужно экспрессировать те гены, которые помогают им выбирать партнеров для соединения. Поэтому у взрослых мух наблюдается меньшее разнообразие экспрессии генов", — сказал Хорнс.

Конечная цель — разработать новые мощные инструменты для понимания генетических "чертежей", которые определяют соединения в человеческом мозге. "Развивая этот подход, мы надеемся однажды провести обратный инжиниринг и, возможно, даже восстановить дефектные цепи в человеческом мозге", — сказал Ли.