Международный коллектив ученых, работающих под эгидой инициативы BRAIN Initiative Cell Census Network, представил подробные клеточные атласы мозга человека и некоторых приматов. Всего опубликована 21 статья в журналах Science, Science Translational Medicine и Science Advances. Результаты этих исследований имеют важное значение для понимания эволюции мозга человека, его развития с момента зачатия, а также для изучения различных болезней — от психиатрических до раковых.
В мозге человека нашли 3 тысячи типов клеток
«Ядром» группы новых исследований стали три статьи, в которых ученые составили транскриптом и эпигеном мозга человека. Они анализировали три мозга, которые пожертвовали доноры, при этом отбирали образцы клеток из разных участков. Под транскриптомом подразумевается совокупность всех мРНК, находящихся в клетке. В каждой отдельной клетке может отличаться как состав транскриптома, так и уровень экспрессии тех или иных мРНК, что и определяет идентичность клетки. Ученые определили последовательность (секвенировали) РНК в 3 млн клетках мозга и, применив алгоритмы машинного обучения, смогли выделить 3 тысячи типов клеток. Из них 80% составили нейроны, а остальные 20% пришлись на глиальные клетки, отвечающие за метаболизм и поддержание подходящего микроокружения в мозге.
Эпигеном, в свою очередь, представляет совокупность механизмов, изменяющих активность генов в клетке. Его можно регулировать двумя способами: модификацией ДНК или гистонов — белков, которые участвуют в компактизации ДНК. В одном из новых исследований ученые оценивали паттерны метилирования ДНК, по которым можно судить о том, какие гены активны, а какие подавляются. В другой работе рассматривалась доступность хроматина, то есть то, насколько гены вообще доступны для транскрипции. В результате ученые собрали несколько атласов, описывающих состояние эпигенома клеток мозга, и сделали выводы о трехмерной организации ДНК в них. Только на основе эпигенетики исследователи смогли выделить около 200 типов клеток, что составляет лишь малую часть от всех существующих в мозге.
В другой работе, которую возглавили ученые из Института исследований мозга Аллена (США), рассматривались различия в экспрессии генов в клетках неокортекса у разных людей. В ходе работы ученые секвенировали как РНК, так и ДНК из клеток, полученных от 75 доноров, и всего проанализировали данные для 400 тысяч клеток. Хотя состав неокортекса (новой коры головного мозга, которая отвечает за высшие когнитивные функции) у разных людей и схож, все равно проявляются различия в экспрессии генов. Они связаны как с характеристиками донора (пол, возраст, происхождение и т. д.), так и с наличием заболеваний.
Мозг человека сравнили с мозгом приматов и грызунов
Еще одно исследование, которое возглавили ученые из Института исследований мозга Аллена, было посвящено сравнению коры головного мозга человека с мозгом других приматов: шимпанзе, горилл, резусных макак и мартышек. Всего ученые получили транскриптомы 570 тысяч клеток, а также провели сравнительный филогенетический анализ. На основе этого они заключили, что типы клеток коры головного мозга практически не менялись на протяжении 40 млн лет эволюции приматов. Это значит, что среди приматов-гоминид чаще всего наблюдается похожий клеточный состав и расположение разных типов клеток в коре мозга.
При этом оказалось, что по характеристикам нейронов шимпанзе больше похожи на горилл, чем на человека, хотя у шимпанзе и человека есть более недавний общий родственник. Также ученые выяснили, что для человека по сравнению с приматами характерны относительно небольшие изменения в экспрессии генов, которые в итоге привели к значительному увеличению нашей нейропластичности — способности к обучению и адаптации.
Новую кору головного мозга человека ученые также сравнили с неокортексом мышей, составив транскриптомы клеток, отобранных из разных ее участков. Оказалось, что для зрительной коры, где обрабатывается зрительная информация, характерна наиболее выраженная специализация, то есть в ней присутствуют особые типы нервных клеток, которые не присутствуют в других участках коры. По сравнению с мышами у людей зрительная кора развита гораздо больше, что может быть связано с тем, что мы, как и другие приматы, в значительной степени ориентируемся на зрение при взаимодействии с окружающим миром.
Получен атлас мозга человека в первом триместре развития
Исследователи из Каролинского института (Швеция) возглавили проект, в котором проанализировали транскриптомы более миллиона клеток, полученных из мозга 26 эмбрионов человека в первом триместре развития (5–14 недель после оплодотворения). Обычно в таких работах рассматриваются только некоторые отделы мозга, но здесь ученые впервые составили атлас целого мозга на ранней стадии развития.
Как ученые и ожидали, наиболее разнообразными клетками оказались нейроны. Однако среди глиальных клеток — в данном случае предшественников астроцитов и олигодендроцитов — исследователи также выделили разные типы в зависимости от места их расположения и функции. Таким образом, ученые подчеркнули, что первый триместр развития очень важен для дифференциации клеток мозга, то есть появления разных их типов. Хотя эти данные важны с точки зрения фундаментальной науки, у них есть и прикладное применение — дальнейшее исследование различных болезней и расстройств мозга.
Похожее исследование о том, как формируются нейроны и глия во время эмбриогенеза макак, представили ученые из Йельской школы медицины (США). Они выявили общие молекулярные механизмы, определяющие «судьбу» нейрональных стволовых клеток, которые дают начало всем нейронам, а также некоторым представителям глии. Эти данные также важны и для понимания того, как возникают разные болезни, и для дальнейшего сравнения мозга человека и макак и рассмотрения нашей эволюции.
Найдены гены риска для психиатрических и нейрологических заболеваний
Ученые из Медицинской школы при комплексе больниц Маунт-Синай (США) определили транскриптомы и эпигеномы более 45 тыс. клеток коры головного мозга человека в разные моменты жизни (от эмбриона до взрослого). Помимо создания атласа развития коры мозга, они также выявили 152 гена риска для развития психиатрических и нейрологических заболеваний. При этом некоторые из этих данных новые и вносят большее понимание в патогенез этих болезней.
Так, ученые выяснили, что синдром Туретта связан с нарушениями в работе олигодендроцитов, глиальных клеток, которые ответственны за создание миелиновой оболочки отростков нейронов — аксонов. Миелинация представляет собой изоляцию аксонов, которая позволяет лучше передавать сигналы между нейронами, а разрушение такой оболочки нарушает координацию движений и приводит к другим симптомам. Еще одно новое открытие состоит в том, что обсессивно-компульсивное расстройство связано с астроцитами, которые поддерживают нейроны, регулируют их функции, а также участвуют в поддержании целостности гематоэнцефалического барьера.
Развитие болезни Альцгеймера, как показали ученые, может быть связано с нарушением регуляции работы микроглии — иммунных клеток мозга. Это подтверждает важную роль нейровоспаления в нейродегенеративных заболеваниях, ведь и ранее в экспериментах, связанных с ними, указывалось на чрезмерную активацию микроглии. Для болезни Паркинсона, также приводящей к нейродегенерации, исследователи указали на связь с олигодендроцитами и астроцитами.
Мутации в генах, характерных для корзинчатых нейронов, оказались характерными для шизофрении, биполярного расстройства, депрессии и эпилепсии. Это тормозные нейроны, которые присутствуют во всем мозге, а в особенности — в коре, мозжечке и гиппокампе. Другие тормозные нейроны, расположенные в полосатом теле и называемые средними шипиковыми нейронами, оказались замешаны в развитии синдрома дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ).
Все найденные учеными возможные связи между генами и болезнями в дальнейшем помогут лучше понять, какие именно события на молекулярном и клеточном уровне приводят к возникновению этих состояний. В свою очередь, на основе таких механизмов можно будет выявить терапевтические и диагностические мишени.
Воспаление мозжечка у детей может приводить к аутизму и шизофрении
Исследователи из Медицинской школы при Мэрилендском университете (США) рассмотрели, как воспаление влияет на клетки мозга детей и на риски развития различных нейрозаболеваний. В работе ученые анализировали ткани мозга, полученные от 17 детей, которые погибли в возрасте 1–5 лет. Среди них 8 детей умерло из-за болезней, связанных с воспалением (вирусные и бактериальные инфекции, астма), а другие 9 — от несчастных случаев. Особое внимание ученые при этом обращали внимание на мозжечок — отдел мозга, отвечающий за координацию движений, равновесие и мышечную память. Мозжечок заинтересовал исследователей из-за того, что он является отделом мозга, который начинает созревать одним из первых, а заканчивает при этом одним из последних.
Оказалось, что воспаление не позволяет клеткам мозжечка созреть полностью. Особенно подверженными воспалению оказались два типа тормозных нейронов — клетки Гольджи и Пуркинье. Хотя эти нейроны и встречаются довольно редко, они обладают крайне важными функциями. Клетки Пуркинье образуют синапсы, которые соединяют мозжечок с другими участками мозга, отвечающими за контроль эмоций и познание. А клетки Гольджи координируют «общение» нейронов мозжечка между собой. Нарушение функций этих клеток может приводить к различным расстройствам и болезням, таким как аутизм, шизофрения и так далее. При этом ранее уже высказывались гипотезы о том, что воспаление может повышать риск развития этих состояний.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
