Αποκρυπτογράφηση νευροψυχιατρικών διαταραχών χρησιμοποιώντας έναν άτλαντα ανθρώπινων κυττάρων εγκεφάλου

Οι ερευνητές χαρτογραφούν βασικά γονίδια και τύπους εγκεφαλικών κυττάρων που συνδέονται με τη σχιζοφρένεια, τη διπολική διαταραχή, Η ασθένεια Αλτσχάϊμερ Ασθένεια και σοβαρή κατάθλιψη.

Σε μια μεγάλη, πολυθεσμική προσπάθεια με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια του Σαν Ντιέγκο (UCSD), οι ερευνητές ανέλυσαν περισσότερα από ένα εκατομμύριο ανθρώπινα εγκεφαλικά κύτταρα για να δημιουργήσουν λεπτομερείς χάρτες γονιδιακής εναλλαγής σε τύπους εγκεφαλικών κυττάρων, αποκαλύπτοντας τις συνδέσεις μεταξύ συγκεκριμένων τύπων κυττάρων. Και διάφορες κοινές νευροψυχιατρικές διαταραχές. Η ομάδα ανέπτυξε επίσης εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης για να προβλέψει τον αντίκτυπο μεμονωμένων γενετικών παραλλαγών υψηλού κινδύνου μεταξύ αυτών των κυττάρων και πώς θα μπορούσαν να συμβάλουν στην εμφάνιση ασθενειών.

Η πρωτοβουλία BRAIN και ο στόχος της

Αυτή η πρωτοποριακή έρευνα, η οποία παρουσιάστηκε σε ειδικό τεύχος του περιοδικού Επιστήμες στις 13 Οκτωβρίου 2023, αποτελεί μέρος της έρευνας για τον εγκέφαλο του Εθνικού Ινστιτούτου Υγείας μέσω της Πρωτοβουλίας Advanced Innovative Neurotechnologies Initiative ή BRAIN Initiative, η οποία ξεκίνησε το 2014. Η πρωτοβουλία στοχεύει να φέρει επανάσταση στην κατανόηση του εγκεφάλου των θηλαστικών, εν μέρει, με την ανάπτυξη νέων τεχνολογίες. Νευροτεχνικές για τον χαρακτηρισμό τύπων νευρωνικών κυττάρων.

Κατανόηση των κυτταρικών διαφορών

Κάθε κύτταρο στον ανθρώπινο εγκέφαλο περιέχει την ίδια ακολουθία DNAΑλλά διαφορετικοί τύποι κυττάρων χρησιμοποιούν διαφορετικά γονίδια σε διαφορετικές ποσότητες. Αυτή η παραλλαγή παράγει πολλούς διαφορετικούς τύπους εγκεφαλικών κυττάρων και συμβάλλει στην πολυπλοκότητα των νευρικών κυκλωμάτων. Το να μάθετε πώς αυτοί οι τύποι κυττάρων διαφέρουν σε μοριακό επίπεδο είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του εγκεφάλου και την ανάπτυξη νέων τρόπων θεραπείας νευρολογικών και ψυχιατρικών παθήσεων.

Πολυπλοκότητα του ανθρώπινου εγκεφάλου

«Ο ανθρώπινος εγκέφαλος δεν είναι ομοιογενής», δήλωσε ο επικεφαλής ερευνητής Ping Ren, Ph.D., καθηγητής στην Ιατρική Σχολή του UC San Diego. «Αποτελούνται από ένα πολύ περίπλοκο δίκτυο νευρώνων και μη νευρωνικών κυττάρων, καθένα από τα οποία εκτελεί διαφορετικές λειτουργίες. Ο εντοπισμός των διαφορετικών τύπων κυττάρων στον εγκέφαλο και η κατανόηση του πώς λειτουργούν μαζί θα μας βοηθήσει τελικά να ανακαλύψουμε νέες θεραπείες που μπορούν να στοχεύσουν μεμονωμένους τύπους κυττάρων που σχετίζονται με συγκεκριμένες ασθένειες».

Κύρια ευρήματα από τη μελέτη

Στη νέα μελέτη, η ομάδα των ερευνητών ανέλυσε περισσότερα από 1,1 εκατομμύρια εγκεφαλικά κύτταρα σε 42 διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου από τρεις ανθρώπινους εγκεφάλους. Εντόπισαν 107 διαφορετικούς υποτύπους εγκεφαλικών κυττάρων και μπόρεσαν να συνδέσουν πτυχές της μοριακής τους βιολογίας με ένα ευρύ φάσμα νευροψυχιατρικών ασθενειών, όπως η σχιζοφρένεια, η διπολική διαταραχή, η νόσος του Αλτσχάιμερ και η μείζονα κατάθλιψη. Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποιούν αυτά τα δεδομένα για να δημιουργήσουν μοντέλα μηχανικής μάθησης για να προβλέψουν πώς συγκεκριμένες παραλλαγές αλληλουχίας στο DNA επηρεάζουν τη ρύθμιση των γονιδίων και συμβάλλουν στην εμφάνιση ασθενειών.

Συνεχής έρευνα και μελλοντικές προσπάθειες

Ενώ αυτά τα νέα ευρήματα παρέχουν σημαντικές γνώσεις για τον ανθρώπινο εγκέφαλο και τις ασθένειές του, οι επιστήμονες απέχουν ακόμη πολύ από τη χαρτογράφηση του εγκεφάλου. Το 2022, το UC San Diego ενώθηκε με το Salk Institute και άλλα ιδρύματα για την έναρξη του Κέντρου για τον Πολυγωνικό Άτλαντα Ανθρώπινου Εγκεφάλου, το οποίο στοχεύει να μελετήσει κύτταρα από περισσότερους από δώδεκα ανθρώπινους εγκεφάλους και να θέσει ερωτήσεις σχετικά με το πώς αλλάζει ο εγκέφαλος κατά την ανάπτυξη, κατά τη διάρκεια της πορείας. της ζωής των ανθρώπων και με την ασθένεια.

«Η επέκταση της δουλειάς μας σε μεγαλύτερο επίπεδο λεπτομέρειας σε μεγαλύτερο αριθμό εγκεφάλων θα μας φέρει ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση της βιολογίας των νευροψυχιατρικών διαταραχών και πώς μπορούν να αποκατασταθούν», είπε ο Ρεν.

Αναφορά: «A Comparative Atlas of Single-Cellular Chromatin Accessibility in the Human Brain» από τους 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. Margareta Behrens, Joseph R. Eker, Ping Ren, 13 ετών Οκτώβριος 2023, Επιστήμες.
doi: 10.1126/science.adf7044

Συν-συγγραφείς της μελέτης είναι οι: Yang Eric Li, Sebastian Pressel, Michael Miller, Zihan Wang, Henry Jiao, Chenxu Zhu, Zhaoning Wang, Yang Espinoza, Jingbo Zhang και Allen Wang του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, στο Σαν Ντιέγκο και ο Νίκολας ΡΕ. Johnson Antonio Pinto-Duarte, Wei Tian Nora Emerson, Julia Austin, Jacinta Lucero, M. Margareta Burns και Joseph R. Ecker στο Salk Institute for Biological Studies. Η Kimberly Sillett και ο Steen Lennarsson στο Karolinxa Institute Annamarie Janni, η Julie Nyhus, ο Nick Dee, η Tamara Kasper, η Nadja Shapovalova, ο Daniel Hirschstein και η Rebecca D. Οι Hodge Trygve Bakken, Boaz Levy και Ed Lin στο Allen Institute for Brain Science and C. Ο Ντιρκ Κέιν Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον Σιάτλ.

Η μελέτη είχε υποστηριχθεί στο παρελθόν Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας (Grants UM1MH130994, U01MH114812, U54HG012510 and S10 OD026929), National Science Foundation (Grant OIA-2040727); και το Nancy and Buster Alford Endowment, το Life Sciences Research Foundation, καθώς και δώρα από την Google, την Adobe και την Teradata.