Учёные создали первый атлас мозга приматов на уровне отдельных клеток
Загадкой науки остаётся то, как более 85 миллиардов нейронов совместно формируют сеть, лежащую в основе человеческой личности — мыслей, эмоций и поведения.
Создание карты этих клеточных созвездий и изучение их функций — давняя цель исследователей в рамках проекта NIH "Brain Initiative Cell Census Network". Цель атласа — помочь в развитии нейронауки и лучше понять заболевания мозга, такие как аутизм и депрессия.
Серия новых исследований, опубликованная в Science Advances, раскрыла внутреннюю молекулярную работу мозга с беспрецедентной детализацией и масштабом.
Консорциум учёных из Университета штата Аризона, Пенсильванского университета, Вашингтонского университета и Института Бротмана Бэти создал крупнейший в мире общегеномный атлас мозга приматов.
"Картирование того, какие клетки где находятся и что они делают в мозге взрослого примата, имеет решающее значение как для понимания эволюции человеческого познания и поведения, так и для выявления причин неврологических расстройств", — сказал соавтор Ноа Снайдер-Маклер.
Их цель — идентифицировать и изучить клетки мозга (нейроны и ненейроны), проведя полный молекулярный анализ с помощью современных одноклеточных технологий.
Используя образцы из 30 областей мозга, они построили атлас клетка за клеткой. Итоговая карта содержит 4.2 миллиона клеток взрослого примата.
"Наши данные, которые мы сделали открытыми, представляют собой крупнейший и наиболее полный мультимодальный молекулярный атлас примата на сегодняшний день", — отметил соавтор Джей Шендур.
Для каждого клеточного ядра учёные профилировали экспрессию генов (2.58 миллиона транскриптомов) и набор комплементарных регуляторных областей ДНК (1.59 миллиона эпигеномов). Этот "мульти-омический" анализ позволил изучить молекулярные "чертежи", определяющие типы клеток мозга.
Анализ выявил сотни молекулярно различных типов клеток мозга. Клеточный состав сильно различался в разных областях, показывая специфические функции — от нейротрансмиттеров для коммуникации до клеток, защищающих мозг от болезней вроде болезни Альцгеймера.
Учёные исследовали 53 фенотипа, связанных с риском неврологических заболеваний, расстройств и поведенческих черт. Результаты подтвердили известные роли клеточных классов, связанных с неврологическими болезнями, включая клетки, связанные с кардиоэмболическим или ишемическим инсультом (основная причина неврологической смерти).
Было обнаружено, что гены, связанные с болезнью Альцгеймера, часто находятся в регуляторных областях ДНК, доступных только в микроглии (первичных иммунных клетках мозга). Это согласуется с известной ролью активации микроглии при этом заболевании, выявленной в полногеномных исследованиях ассоциаций (GWAS).
Многие обнаруженные регуляторные области были новыми, что позволило изучить генетическую архитектуру риска неврологических заболеваний на клеточном уровне.
"Мы выявили многочисленные ассоциации между генетическим риском неврологических расстройств и эпигеномными состояниями конкретных типов клеток", — сказал соавтор Кеннет Чиу.
Класс корзинчатых клеток оказался обогащён наибольшим числом GWAS-фенотипов, включая шизофрению, биполярное расстройство, большое депрессивное расстройство и, наиболее сильно, эпилепсию. Также была обнаружена связь локусов болезни Паркинсона с открытыми областями в классах глиальных клеток: OPC, олигодендроцитах и астроцитах.
Сайты, ассоциированные с синдромом дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ), были обогащены только среди открытых областей средних шипиковых нейронов. Эти нейроны связаны с поведенческой гиперактивностью и нарушением внимания, что указывает на их перспективность как новой мишени для изучения СДВГ.
"Мульти-омический" атлас теперь представляет собой открытый ресурс для мирового научного сообщества для дальнейшего изучения эволюции человеческого мозга и поиска новых мишеней для терапии заболеваний.