НЕВРОЛОГИЯ
Ученые начинают строить список деталей для мозга
Новое исследование обеспечивает необычайный крупный план звериного типа нервных клеток, предоставляя возможные выводы для неврологического и психиатрического лечения.
Около пяти лет назад радиоинтервьюер спросил выдающегося нейробиолога Эрика Канделя из Колумбийского университета, какие загадки остались о мозге. «Почти все», — ответил Кандель. Такое утверждение не умаляет значительного прогресса, достигнутого нейробиологией за более чем столетие, с тех пор как итальянский врач Камилло Гольджи и испанский анатом Сантьяго Рамон и Кахаль создали первые рисунки нейронов. Но такие люди, как Кандел, остаются скромными. Они знают, что каждый раз, когда нейробиологи увеличивают разрешение, с которым они смотрят в мозг, они обнаруживают новые, невообразимые уровни сложности.
Новое исследование исследователей Аллена института наук о мозге и их коллеги, опубликованном 21 августа в природе, сделал именно это. Он выявил то, что Институт Аллена называет «самым подробным« списком частей »человеческого мозга на сегодняшний день». Как напоминание о том, что мы до сих пор не знаем, этот список был сосредоточен только на одной части человеческого мозга. Но используя экспрессию генов — РНК, транскрибируемую с ДНК для получения белков, — как способ категоризации клеток, авторы исследования определили 75 различных типов клеток в этой области мозга, и теперь они думают, что может быть порядка нескольких тысяч клеток. типы по всему мозгу, гораздо больше, чем считалось ранее. Кроме того, когда ученые сравнили типы клеток от людей и мышей, они обнаружили, что большинство клеток человеческого мозга имеют аналоги в мозге мышей, но есть и значительные различия.
«К чему это приведет, так это к клеточной неврологии человека», — говорит Кристоф Кох, главный научный сотрудник и президент Института Аллена и соавтор статьи. «Мы считаем, что многие психологические и неврологические заболевания являются заболеваниями определенных типов клеток. Недостаточно знать, что в миндалине что-то не так. Вы должны знать, из 100 различных типов клеток, экспрессируемых в миндалине, которая, в частности, сверхэкспрессирована или недоэкспрессирована, причем синапс больше не функционирует ».
Исследование Коха и его коллег сводится к изучению новейших технологий в области геномики и нейробиологии, говорит Ненад Сестан, нейробиолог и генетик Йельской школы медицины, которая не участвовала в работе. «Созданная ими база данных является не только невероятно полезным исследовательским инструментом, но и предвестником того типа наборов данных, которые мы скоро сможем разработать и использовать для исследования нарушений головного мозга».
Из-за сложности изучения живой мозговой ткани человека большая часть того, что мы знаем о человеческом мозге до сих пор, получена из посмертной мозговой ткани или из методов сканирования мозга, таких как функциональная магнитно-резонансная томография. В новой статье исследователи исследовали клетки человеческого мозга из средней височной извилины (MTG), области, связанной с памятью и интеграцией информации. Это было выбрано потому, что некоторые ткани человеческого мозга, которые использует Институт Аллена, получены с разрешения операций, выполненных на пациентах с эпилепсией. Остальное происходит от посмертной ткани доноров.
Команда Института Аллена использовала молекулярный подход к пониманию клеточного разнообразия. Он использовал методологический прогресс, называемый одноклеточной транскриптомикой, который измеряет содержание РНК в клетке. «Вместо того, чтобы использовать анатомию или физиологию как способ думать о типах клеток, можно думать о клетке, определенной генами, которые активны в этой клетке в определенный момент времени», — говорит нейробиолог Эд Лейн из Института Аллена. следователь и старший автор исследования. Гены кодируют белки, которые становятся клеточными составляющими, которые выполняют множество задач этих клеток. Измеряя активно используемые гены или экспрессию генов в отдельных клетках, ученые могут различить функцию каждой клетки. В этом исследовании ученые представили список частей только для ядер клеток, потому что они могут быть легко отделены друг от друга, и их паттерны экспрессии генов могут быть индивидуально профилированы. В ткани мозга взрослого человека цельные клетки часто являются большими и взаимосвязанными, поэтому они часто повреждаются при разделении для профилирования. Использование ядер значительно расширило число клеток, которые они могли анализировать (всего 16 000). Сестан говорит, что сочетание генетической технологии и вычислительных способностей, представленных в этом исследовании, впечатляет. «Мы видим, как все собирается вместе».
Исследователи были в восторге от результатов их межвидового сравнения. В мозге человека примерно в 1000 раз больше клеток, чем в мышах, но основные компоненты оказываются такими же. Лейн описывает, как классификация двух наборов клеток выстраивается так аккуратно, как «ага момент». Тем не менее, были обнаружены критические различия в относительной пропорции типов клеток среди двух видов и в том, где клетки были обнаружены в организме, их паттерны экспрессии генов и их структурные свойства. В качестве примера Лейн указывает на пирамидальные клетки — основные «возбуждающие» нейроны, которые выделяют сигнальную молекулу, чтобы стимулировать нейроны к пожару. «В коре человека их в 20 раз меньше, чем в мышиной цепи», — говорит он.
В идеале исследователи сравнили бы клетки MTG человека с аналогичной или гомологичной областью в мозге мыши, но не ясно, есть ли она. Вместо этого они сравнивали клетки MTG человека с двумя совершенно разными областями коры мыши: моторной областью и сенсорной (визуальной) областью. «Сравнивая с ними обоими и демонстрируя сильную гомологию с ними обоими, мы как бы охватили диапазон того, что можно увидеть в коре мыши», — говорит Лейн.
Такие сравнения важны, потому что мы часто используем мышей для моделирования заболеваний человека. «Мы оправдываем это, отмечая, что многие анатомические и функциональные особенности сохраняются между грызунами и приматами. И в той степени, в которой их можно наблюдать, они также похожи у людей », — говорит нейробиолог Эдвард Каллавей из Института биологических исследований Солка, который не работал над новой статьей. «Даже если существуют одни и те же типы клеток, различия в экспрессии генов между гомологичными типами клеток могут указывать на важные функциональные различия». Одним из важных выводов является то, что нечеловеческие приматы могут быть гораздо лучшей моделью для некоторых заболеваний человека, чем мыши.
В качестве примера в исследовании приводятся серотониновые рецепторы. Как у мышей, так и у людей есть много таких рецепторов, но исследователи написали, что обнаружили «сильно отличающуюся экспрессию между видами». Это означает, что такие лекарства, как селективные ингибиторы обратного захвата серотонина, используемые для лечения психических расстройств, вероятно, функционируют у людей совершенно по-разному. чем у мышей. Тесты на животных не покажут много о том, как эти лекарства будут работать в нас.
«У нас есть данные, чтобы сказать, выражается ли вещь, на которую вы пытаетесь нацелиться, одинаково или нет», — говорит Лейн. «Во многих случаях ген будет использоваться у мышей и человека в одной и той же области мозга, но не в одних и тех же клетках. Это полностью меняет функцию. Теперь я думаю, что вы можете предсказать, почему эти вещи не могут перевести».