Rozszyfrowanie zaburzeń neuropsychiatrycznych za pomocą atlasu ludzkich komórek mózgowych

W ramach wspólnej pracy naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego zmapowali przełączniki genów w różnych typach komórek mózgowych, analizując ponad milion ludzkich komórek mózgowych. Badanie to, stanowiące część inicjatywy BRAIN, rzuca światło na związek między niektórymi typami komórek a zaburzeniami neuropsychiatrycznymi. Wykorzystali także sztuczną inteligencję do przewidywania skutków określonych wariantów genetycznych wysokiego ryzyka.

Naukowcy mapują kluczowe geny i typy komórek mózgowych powiązane ze schizofrenią, chorobą afektywną dwubiegunową, Choroba Alzheimera Choroba i ciężka depresja.

W ramach dużego, wieloinstytucjonalnego projektu kierowanego przez Uniwersytet Kalifornijski w San Diego (UCSD) naukowcy przeanalizowali ponad milion ludzkich komórek mózgowych, aby stworzyć szczegółowe mapy przełączania genów w typach komórek mózgowych, ujawniając powiązania między określonymi typami komórek. Oraz różne powszechne zaburzenia neuropsychiatryczne. Zespół opracował także narzędzia sztucznej inteligencji do przewidywania wpływu poszczególnych wariantów genetycznych wysokiego ryzyka na te komórki i tego, w jaki sposób mogą one przyczyniać się do chorób.

Inicjatywa BRAIN i jej cel

To pionierskie badanie, które zostało zaprezentowane w specjalnym numerze czasopisma Nauki w dniu 13 października 2023 r. jest częścią badań mózgu prowadzonych przez Narodowy Instytut Zdrowia w ramach inicjatywy Advanced Innovative Neurotechnologies Initiative, w skrócie BRAIN, zapoczątkowanej w 2014 r. Inicjatywa ma na celu zrewolucjonizowanie zrozumienia mózgu ssaków, częściowo poprzez opracowanie nowych technologie. Neurotechniki charakteryzowania typów komórek nerwowych.

Zrozumienie różnic komórkowych

Każda komórka w ludzkim mózgu zawiera tę samą sekwencję DNAAle różne typy komórek wykorzystują różne geny w różnych ilościach. Ta odmiana wytwarza wiele różnych typów komórek mózgowych i przyczynia się do złożoności obwodów neuronowych. Poznanie różnic między tymi typami komórek na poziomie molekularnym ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia działania mózgu i opracowania nowych sposobów leczenia chorób neurologicznych i psychiatrycznych.

Złożoność ludzkiego mózgu

„Ludzki mózg nie jest jednorodny” – powiedział główny badacz, dr Ping Ren, profesor w Szkole Medycznej Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. „Składają się z bardzo złożonej sieci neuronów i komórek nieneuronalnych, z których każda pełni inne funkcje. Identyfikacja różnych typów komórek w mózgu i zrozumienie, jak ze sobą współpracują, ostatecznie pomoże nam odkryć nowe metody leczenia, które mogą być ukierunkowane na poszczególnych typów komórek istotnych dla konkretnych chorób.”

Główne wnioski z badania

W nowym badaniu zespół naukowców przeanalizował ponad 1,1 miliona komórek mózgowych w 42 różnych obszarach mózgu trzech ludzkich mózgów. Zidentyfikowali 107 różnych podtypów komórek mózgowych i byli w stanie powiązać aspekty ich biologii molekularnej z szeroką gamą chorób neuropsychiatrycznych, w tym schizofrenią, chorobą afektywną dwubiegunową, chorobą Alzheimera i poważną depresją. Następnie naukowcy wykorzystują te dane do tworzenia modeli uczenia maszynowego, aby przewidzieć, w jaki sposób określone zmiany sekwencji w DNA wpływają na regulację genów i przyczyniają się do chorób.

Kontynuacja badań i przyszłe wysiłki

Chociaż te nowe odkrycia dostarczają ważnych informacji na temat ludzkiego mózgu i jego chorób, naukowcom wciąż daleko od zmapowania mózgu. W 2022 r. Uniwersytet Kalifornijski w San Diego dołączył do Salk Institute i innych instytucji, uruchamiając Centrum Wielokątnego Atlasu Komórek Ludzkiego Mózgu, którego celem jest badanie komórek z kilkunastu ludzkich mózgów i zadawanie pytań na temat zmian mózgu w trakcie rozwoju. życia ludzi i z chorobami.

„Rozszerzenie naszej pracy o większy poziom szczegółowości na większej liczbie mózgów przybliży nas o krok bliżej do zrozumienia biologii zaburzeń neuropsychiatrycznych i możliwości ich rehabilitacji” – powiedział Ren.

Odniesienie: „Atlas porównawczy dostępności chromatyny jednokomórkowej w ludzkim mózgu” Yang-Eric Li, Sebastian Pressel, Michael Miller, Nicholas D. Johnson, Zihan Wang, Henry Jiao, Chenxu Zhou, Zhauning Wang, Yang Xie, Olivier Poirion, Colin Kern, Antonio Pinto-Duarte, Wei Tian, ​​​​Kimberly Seletti, Nora Emerson, Julia Austin, Jacinta Lucero, Lin Lin, Qian Yang , Quan Chu, Nathan Zemke, Sarah Espinoza, Anna Marie Yanni, Julie Niehus, Nick D., Tamara Kasper, Nadia Shapovalova, Danielle Hirschstein, Rebecca D. Hodge, Sten Lennarsson, Trygve Bakken, Boaz Levy, C. Dirk Keen, Jingbo Zhang, Ed Lin, Allen Wang, M. Margarita Behrens, Joseph R. Eker, Ping Ren, 13 lat, październik 2023, Nauki.
doi: 10.1126/science.adf7044

Współautorami badania są: Yang Eric Li, Sebastian Pressel, Michael Miller, Zihan Wang, Henry Jiao, Chenxu Zhu, Zhaoning Wang, Yang Espinoza, Jingbo Zhang i Allen Wang z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego oraz Nicholas D. Johnson Antonio Pinto-Duarte, Wei Tian Nora Emerson, Julia Austin, Jacinta Lucero, M. Margaretę Burns i Josepha R. Eckera z Instytutu Studiów Biologicznych im. Salka. Kimberly Sillett i Steen Lennarsson z Instytutu Karolinxa Annamarie Janni, Julie Nyhus, Nick Dee, Tamara Kasper, Nadja Shapovalova, Daniel Hirschstein i Rebecca D. Hodge Trygve Bakken, Boaz Levy i Ed Lin z Allen Institute for Brain Science oraz C. Wchodzi Dirk Kane uniwersytet Waszyngtoński Seattle.

Badanie było wcześniej wspierane Narodowy Instytut Zdrowia (Granty UM1MH130994, U01MH114812, U54HG012510 i S10 OD026929), Narodowa Fundacja Nauki (Grant OIA-2040727); oraz Nancy and Buster Alford Endowment, Life Sciences Research Foundation, a także prezenty od Google, Adobe i Teradata.