Przełomowy atlas ludzkich komórek mózgowych

W ramach międzynarodowego projektu naukowcy opracowali najpełniejszy jak dotąd atlas ludzkich komórek mózgowych. Swoje wyniki opisali w serii aż 21 artykułów, zamieszczonych jednocześnie w specjalnym numerze „Science” oraz w pismach „Science Advances” i „Science Translational Medicine”.

Opublikowane prace są częścią rozpoczętego w 2013 r. projektu National Institute of Health Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative – w skrócie The BRAIN Initiative.

Celem programu jest stworzenie atlasu mózgu ludzkiego i mózgu naczelnych innych niż człowiek na poziomie komórkowym z niespotykaną dotąd szczegółowością. W projekcie uczestniczą między innymi naukowcy z University of California w San Diego, Salk Institute for Biological Studies, Allen Institute of Brain Science, Mount Sinai and Yale University School of Medicine, University of Washington (USA) oraz Karolinska Institutet (Szwecja). Aby móc analizować ogrom informacji, naukowcy posługują się między innymi sztuczną inteligencją.

Mózg to najbardziej skomplikowany anatomicznie ludzki narząd, uważany też za najbardziej skomplikowaną strukturę w znanym nam wszechświecie. Według różnych szacunków liczba tworzących go komórek nerwowych sięga 100 miliardów, a każdy neuron jest połączony za pośrednictwem synaps z kilkoma tysiącami innych neuronów, w sumie stanowi to około 100 bilionów połączeń. Aby móc go badać, trzeba mieć punkt odniesienia – taki jak nowy atlas.

Wiedza o tym, jakie komórki tworzą zdrowy mózg, gdzie znajdują się różne typy komórek i jak mózg rozwija się od etapu embrionalnego, ma fundamentalne znaczenie dla możliwości porównania i lepszego zrozumienia, w jaki sposób powstają choroby psychiczne czy neurologiczne. Dotychczas dostępne były zaawansowane atlasy mózgu myszy, ale nie człowieka, i nie było wiadomo, w jakim stopniu wyniki badań na zwierzętach można odnieść do ludzi. Przy okazji prac nad nowym atlasem porównano właściwości komórek ludzkiego mózgu z komórkami mózgów innych ssaków naczelnych.

Każda komórka w ludzkim mózgu zawiera tę samą sekwencję DNA, jednak różne typy komórek korzystają z różnych genów i w różny sposób. Ta zmienność powoduje powstawanie wielu różnych typów komórek mózgowych i przyczynia się do złożoności obwodów nerwowych. Poznanie, czym różnią się te typy komórek na poziomie molekularnym, ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia działania mózgu i opracowania nowych sposobów leczenia.

Badacze przeanalizowali ponad milion ludzkich komórek mózgowych, aby stworzyć szczegółowe mapy przełączania się genów w poszczególnych typach komórek mózgowych. Ujawnili również powiązania między określonymi typami komórek i różnymi powszechnymi zaburzeniami neuropsychiatrycznymi.

– Ludzki mózg nie jest jednorodny. Składa się z niezwykle złożonej sieci neuronów i komórek nieneuronalnych, z których każda pełni inne funkcje. Mapowanie różnych typów komórek w mózgu i zrozumienie, jak ze sobą współdziałają, ostatecznie pomoże nam odkryć nowe terapie, które będą mogły być ukierunkowane na poszczególne typy komórek istotne dla określonych chorób – powiedział starszy autor, prof. Bing Ren z University of California w San Diego.

Rozwój ludzkiego mózgu rozpoczyna się w czasie embriogenezy i trwa po urodzeniu, przez niemowlęctwo, dzieciństwo, okres dojrzewania i wczesną dorosłość. – Biorąc pod uwagę zmienny wiek, w którym pojawiają się różne zaburzenia neurorozwojowe, niezwykle ważne jest zbadanie wpływu czynników ryzyka na całe spektrum rozwoju mózgu. Dzięki opracowaniu tego atlasu możemy zyskać głębsze zrozumienie skomplikowanych mechanizmów regulacyjnych, leżących u podstaw rozwoju i chorób mózgu – podkreślił autor jednego z artykułów, dr Panos Roussos, dyrektor Centrum Neurogenomiki Chorób w Icahn Mount Sinai.

Jak zaznaczyli naukowcy, stworzyli oni najbardziej szczegółowe atlasy komórkowe mózgu dorosłego człowieka oraz rozwoju mózgu w pierwszych miesiącach ciąży. – Można powiedzieć, że przeprowadziliśmy swego rodzaju spis komórek mózgowych – stwierdził prof. Sten Linnarsson z Wydziału Biochemii Medycznej i Biofizyki Karolinska Institutet.

Szwedzcy naukowcy przy współpracy amerykańskich przebadali trzy podarowane po śmierci mózgi dorosłych osób, analizując ponad trzy miliony pojedynczych jąder komórkowych z nieco ponad stu obszarów mózgu. Dzięki technice sekwencjonowania RNA, która ujawnia tożsamość genetyczną każdej komórki, odkryli ponad 3000 typów komórek. Około 80 procent z nich stanowią neurony, reszta to różne rodzaje komórek glejowych.

– Wiele badań skupiało się na korze mózgowej, jednak największą różnorodność neuronów znaleźliśmy w pniu mózgu – wskazał profesor Linnarsson.

Okazało się także, że tożsamość komórek odzwierciedla miejsce w mózgu, w którym po raz pierwszy rozwinęły się u płodu. Emelie Braun i Miri Danan-Gotthold z grupy Stena Linnarssona przeanalizowały ponad milion pojedynczych komórek z 27 zarodków na różnych etapach rozwoju (5 do 14 tygodni od zapłodnienia). Badanie umożliwiło naukowcom pokazanie, jak cały mózg rozwija się i z czasem organizuje. W podobny sposób badano również różne rodzaje guzów mózgu, na przykład glejaka wielopostaciowego – nowotwór o złym rokowaniu.

– Komórki nowotworowe przypominają niedojrzałe komórki macierzyste i wygląda na to, że próbują utworzyć mózg, ale w całkowicie zdezorganizowany sposób. Zaobserwowaliśmy, że te komórki nowotworowe aktywowały setki specyficznych dla nich genów i interesujące może być zbadanie, czy istnieje potencjał znalezienia nowych celów terapeutycznych – wyjaśnił profesor.

Nicola Micali z Yale prowadził badania nad rozwojem komórek mózgu makaka.

Badanie prowadzone przez Nelsona Johansena z Allen Institute (USA) obejmowało ocenę zmienności typów komórek mózgowych u 75 dorosłych ludzi poddawanych operacjom z powodu padaczki lub nowotworu i pokazuje, jak komórki mózgowe różnią się u poszczególnych osób. – Nie ma jednego prototypowego człowieka. Spektrum różnic w zmienności genetycznej i reakcjach środowiskowych istnieje zarówno u zdrowych osób, jak i w stanach chorobowych – oceniły Alyssa Weninger i Paola Arlotta.

Badanie Nikolasa Jorstada pozwoliło porównać jądro pojedynczej komórki u dorosłych ludzi, szympansów, goryli, makaków i rezusów. Udało się wykazać między innymi, że neurony szympansów bardziej przypominają neurony goryli niż neurony ludzi, mimo że szympansy i ludzie mają młodszego ewolucyjnie wspólnego przodka.

Wśród ośmiu artykułów zawartych w pakiecie „Science Advances” prace pod kierownictwem René Wilbersa badały, w jaki sposób szybko rosnące interneurony u ludzi utrzymują częstotliwości szybkiej synchronizacji pomimo większych odległości między neuronami niż u szczurów.

Opublikowane na łamach „Science Translational Medicine” badanie przeprowadzone przez Setha Amenta z University of Maryland (USA) i współpracowników skupiło się na zapaleniu we wczesnym okresie życia – klinicznie ustalonym czynniku ryzyka kilku zaburzeń neurologicznych. Badacze skoncentrowali się na móżdżku, obszarze mózgu szczególnie wrażliwym na zaburzenia poporodowe. Analizy zespołu ujawniły, że zapalenie wiąże się ze zmianami przede wszystkim w dwóch podtypach neuronów hamujących: neuronach Purkinjego i neuronach Golgiego.

Atlas mózgu będzie bezpłatnie dostępny dla naukowców na całym świecie za pośrednictwem repozytorium online. Specjaliści będą mogli korzystać z danych, skutecznie je wizualizować i wykorzystywać informacje do własnych badań, na przykład porównując badane przez siebie choroby mózgu z normalnie rozwiniętym mózgiem.