W ramach dużego, wieloinstytucjonalnego wysiłku kierowanego przez Uniwersytet Kalifornijski w San Diego naukowcy przeanalizowali ponad milion ludzkich komórek mózgowych, aby stworzyć szczegółowe mapy przełączników genów w typach komórek mózgowych i ujawnili powiązania między określonymi typami komórek i różnymi powszechnymi zaburzenia neuropsychiatryczne. Zespół opracował także narzędzia sztucznej inteligencji do przewidywania wpływu poszczególnych wariantów genów wysokiego ryzyka na te komórki i tego, w jaki sposób mogą one przyczyniać się do chorób.
Nowa praca, opublikowana 13 października 2023 r. w specjalnym numerze Science, jest częścią rozpoczętej w 2014 r. inicjatywy National Institute of Health Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative, w skrócie The BRAIN Initiative. Inicjatywa ma na celu zrewolucjonizować zrozumienie mózgu mózgu ssaków, częściowo poprzez rozwój nowych neurotechnologii pozwalających charakteryzować typy komórek nerwowych.
Każda komórka ludzkiego mózgu zawiera tę samą sekwencję DNA, ale różne typy komórek korzystają z różnych genów i 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 neuropsychiatrycznych.
„Ludzki mózg nie jest jednorodny” – powiedział starszy autor, doktor Bing Ren, profesor w Szkole Medycznej Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. „Składa się z niezwykle złożonej sieci neuronów i komórek nieneuronalnych, z których każda pełni inne funkcje. Stworzenie mapy różnych typów komórek w mózgu i zrozumienie ich wzajemnego współdziałania ostatecznie pomoże nam odkryć nowe terapie ukierunkowane na poszczególne osoby. typy komórek istotne dla określonych chorób.”
W nowym badaniu naukowcy przeanalizowali 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 pewne zmiany sekwencji w DNA mogą wpływać na regulację genów i przyczyniać się do chorób.
Chociaż te nowe wyniki oferują znaczący wgląd w ludzki mózg i jego patologię, naukowcom wciąż daleko do zakończenia mapowania mózgu. W 2022 r. Uniwersytet Kalifornijski w San Diego dołączył do Instytutu Salka i innych instytucji, uruchamiając Centrum Multiomicznego Atlasu Komórek Ludzkiego Mózgu, którego celem jest badanie komórek z kilkunastu ludzkich mózgów i zadawanie pytań na temat zmian mózgu w trakcie rozwoju, w ciągu całego życia ludzi i wraz z upływem czasu. choroba.
„Skalowanie naszej pracy do jeszcze większego poziomu szczegółowości na większej liczbie mózgów przybliży nas o krok bliżej do zrozumienia biologii zaburzeń neuropsychiatrycznych i możliwości ich rehabilitacji” – powiedział Ren.
Autorami badania są Yang Eric Li, Sebastian Preissl, Michael Miller, Zihan Wang, Henry Jiao, Chenxu Zhu, Zhaoning Wang, Yang Xie, Oliver Poirion, Colin Kern, Lin Lin, Qian Yang, Quan Zhu i Nathan Zemke , Sarah Espinoza , Jingbo Shang i Allen Wang z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego , Nicholas D. Johnson Antonio Pinto-Duarte , Wei Tian Nora Emerson , Julia Osteen , Jacinta Lucero , M. Margaret Behrens i Joseph R. Ecker z Salk Institute for Biological Studies , Kimberly Silett i Sten Linnarsson z Karolinka Institute of Brain Sciences oraz C. Dirk Keene z University of Washington w Seattle.
Badanie współfinansowane było przez National Institutes of Health (granty UM1MH130994, U01MH114812, U54HG012510 i S10 OD026929), National Science Foundation (grant OIA-2040727); fundacja Nancy and Buster Alford Endowment, Fundacja Badań nad Naukami Przyrodniczymi, a także prezenty od Google, Adobe i Teradata.