За първи път е създадена пълната карта на мозъка на мишка, включваща 32 милиона клетки

В рамките на международно сътрудничество изследователи направиха голям пробив в неврологията: те разработиха първата пълна клетъчна карта на мозъка на бозайник – на лабораторна мишка. Тази работа описва над 32 милиона клетки. Това един нов инструмент, който ще ни помогне да разберем по-добре мозъка и неврологичните заболявания.

За първи път изследователите са създали пълен атлас на клетките в целия мозък на бозайник. Този атлас представлява своеобразна пълна „мозъчна карта“ на мишка, като описва вида, местоположението и молекулярната информация на повече от 32 милиона клетки и предоставя информация за връзките между тях. Това е значителен напредък в разбирането ни за мозъка на бозайниците, който осигурява безпрецедентен обзор на мозъчната структура и нейното функциониране.

Подкрепено от инициативата BRAIN на Националния институт по здравеопазване на САЩ, стартирала през 2014 г., и подробно описано в поредица от 10 статии, публикувани в Nature, това изследване хвърля светлина върху сложното клетъчно разнообразие на мозъка и ще предостави ценни сведения за механизмите на неврологичните заболявания.

Дешифриране на клетъчното разнообразие

Неотдавнашно картографиране на мозъка на мишка разкри удивително клетъчно разнообразие, което далеч надхвърли очакванията на учените. Това проучване потвърждава сложността на мозъка на бозайниците, в който са идентифицирани над 5300 различни клетъчни типа. Всеки клетъчен тип, характеризиращ се с уникални функции и особености, допринася за функционалното богатство на мозъка. Това недооценено досега разнообразие подчертава сложността на невронните мрежи и биологичните процеси, които са в основата на поведението, познанието и емоционалните реакции на бозайниците. Подчертаването на това клетъчно разнообразие би трябвало да доведе до по-добро разбиране на начина, по който тези различни видове клетки си взаимодействат и си сътрудничат, за да осигурят безпроблемното функциониране на мозъка.

За да постигнат това детайлно картографиране, изследователите са използвали съвременни техники, по-специално пространствена транскриптомика. Този метод позволява да се анализира генетичната експресия на клетките, като се запазва тяхното пространствено разположение в мозъка. С други думи, той предлага двоен преглед: специфичната генетична активност на всяка клетка и нейното точно положение в сложната структура на мозъка.

В допълнение към тази структурна информация Cell Atlas предоставя невероятно подробен каталог на клетъчния транскриптом – пълен набор от показанията на гените в клетката, които съдържат инструкции за производството на протеини и други клетъчни продукти. Информацията за транскриптома, включена в атласа, е организирана йерархично, като подробно описва класовете клетки, подкласовете и хилядите групи от отделни клетки в мозъка.

Атласът описва и клетъчния епигеном – химическите модификации на ДНК и хромозомите на клетката, които влияят върху начина, по който се изразява генетичната информация на клетката. Атласът съдържа подробна информация за хиляди епигеномни клетъчни типове и милиони кандидат-гени за регулаторни елементи за различните типове мозъчни клетки.

Този подход картографира не само различните клетъчни типове, но и техните взаимодействия и местоположения, осигурявайки по-задълбочено разбиране на начина, по който мозъчните клетки са организирани и си взаимодействат.

Сравнение между примитивните примати и хората

Задълбоченото изследване на мозъците на мишки е допълнено със сравнителен анализ на мозъците на хора и примитивни примати, което позволява на изследователите да разберат по-добре еволюцията на процесите на регулиране на гените. Те установиха, че моделите на генна експресия, характерни само за определени клетъчни типове, еволюират по-бързо от тези, които са общи за няколко клетъчни типа.

Това наблюдение предполага, че еволюционният натиск оказва по-силно въздействие върху гените, които придават специфични характеристики на различните типове мозъчни клетки. Откритието има важни последици за разбирането на развитието на клетъчното разнообразие в мозъка по време на еволюцията, което е довело до увеличаване на сложността и специализацията на мозъчните функции при бозайниците, особено при хората.

Един от авторите на статията, Бинг Рен, професор в Медицинския факултет на Калифорнийския университет в Сан Диего, обяснява в съобщение за пресата:

„ДНК на клетката е като нейния език. Точно както има определени корени на думи, които са общи за много езици, така има определени гени и модели на експресия на гените, които са се запазили при различните видове. Като се научим да разбираме и тълкуваме молекулярния език на мозъка, можем да научим много повече за това как работи мозъкът като цяло и какво се случва с него при невропсихиатричните заболявания“.

Последствията за медицинските изследвания

Детайлното картографиране на мозъчните клетки на мишки има значителен принос за разбирането на неврологичните заболявания. Чрез идентифициране на различни типове клетки и анализиране на техните взаимодействия това проучване предоставя истински атлас от ценна информация за молекулярните механизми, които са в основата на тези патологии. Наблюдавайки промените в генната експресия и аномалиите в разпределението на клетките, изследователите могат да идентифицират специфични модели, свързани с определени заболявания.

Този подход вероятно ще позволи да се разбере по-добре как болести като Алцхаймер, множествена склероза и болестта на Паркинсон променят структурата и функциите на мозъка. След това учените ще могат да разработят терапии, насочени към клетките или към клетъчните мрежи.

Учените планират да разширят обхвата на тези изследвания върху мозъците на хора и други примати. Това разширение може да доведе до революция в разбирането ни за мозъка, неговата функция, развитие и еволюция.