Περισσότεροι από 3.000 τύποι εγκεφαλικών κυττάρων αποκαλύπτουν τα μυστικά μας

Έχετε πάνω από 3.000 διαφορετικούς τύπους εγκεφαλικών κυττάρων και περισσότερες πληροφορίες από τους μεγαλύτερους άτλαντες ανθρώπινων εγκεφαλικών κυττάρων που έχουν δημιουργηθεί μέχρι σήμερα.

Οι επιστήμονες μόλις αποκάλυψαν μια τεράστια προσπάθεια για να κατανοήσουν τον εγκέφαλό μας και τους εγκεφάλους των πλησιέστερων συγγενών των πρωτευόντων μας.

Σε σουίτα 21 φύλλα Δημοσιεύτηκε στις 12 Οκτωβρίου σε περιοδικά Επιστήμη (12), Η πρόοδος της επιστήμης (8)Και Science Translational Medicine (1), μια μεγάλη κοινοπραξία ερευνητών μοιράζεται νέες γνώσεις σχετικά με τα κύτταρα που απαρτίζουν τον εγκέφαλό μας και τους εγκεφάλους άλλων πρωτευόντων. Είναι ένα τεράστιο άλμα σε σχέση με παλαιότερα δημοσιευμένες εργασίες, με μελέτες και δεδομένα που αποκαλύπτουν νέες γνώσεις σχετικά με την κυτταρική σύνθεση του νευρικού μας συστήματος σε πολλές περιοχές του εγκεφάλου και τι είναι ιδιαίτερο για τον ανθρώπινο εγκέφαλο.

Η ερευνητική κοινοπραξία αντιπροσωπεύει μια συντονισμένη προσπάθεια για την κατανόηση του ανθρώπινου εγκεφάλου και της σπονδυλωτής λειτουργικής φύσης του. Συγκεντρώθηκε και χρηματοδοτήθηκε από Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας‘μικρό Έρευνα εγκεφάλου μέσω της ανάπτυξης καινοτόμων νευροτεχνολογιών® (BRAIN) Πρωτοβουλία. Εκατοντάδες επιστήμονες από όλο τον κόσμο έχουν συνεργαστεί για να ολοκληρώσουν ένα σύνολο μελετών που διερευνούν την κυτταρική δομή του ανθρώπινου εγκεφάλου και αυτή των άλλων πρωτευόντων και να δείξουν πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα μετασχηματιστικό νέο σύνολο κλιμακωτών τεχνολογιών για τη μελέτη της λεπτομερούς οργάνωσης του τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος με πρωτοφανή ακρίβεια.

Η κατανόηση του εγκεφάλου μας σε κυτταρικό επίπεδο είναι το κλειδί για να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί ο εγκέφαλός μας και ποιοι είμαστε ως ον ΤαξινόμησηΕκτός από τον ακριβή εντοπισμό των κυτταρικών ριζών των εγκεφαλικών ασθενειών και διαταραχών, γνώση που θα μπορούσε τελικά να οδηγήσει σε καλύτερες θεραπείες για αυτές τις ασθένειες.

Επιστήμονες στο Ινστιτούτο Άλεν για την Επιστήμη του Εγκεφάλου, ένα τμήμα του Ινστιτούτου Άλεν, οδήγησαν πέντε από αυτές τις μελέτες και συνεισέφεραν σημαντικά σε άλλες τρεις, συμπεριλαμβανομένου ενός Stady Το οποίο διευρύνει σημαντικά τις υπάρχουσες γνώσεις σχετικά με τον αριθμό των τύπων κυττάρων στον ενήλικο ανθρώπινο εγκέφαλο. Οι επιστήμονες στο Karolinska Institutet και το Allen Institutet μελέτησαν τα γονίδια που ενεργοποιούνται σε μεμονωμένα εγκεφαλικά κύτταρα, μια τεχνική γνωστή ως μονοκυτταρική μεταγραφική, αποκαλύπτοντας μια εκπληκτική ποικιλία τύπων κυττάρων: έχουμε περισσότερους από 3.000 διαφορετικούς τύπους εγκεφαλικών κυττάρων.

Ο ανώτερος ερευνητής Ed Lin και ο ανώτερος επιστήμονας Minhwan Kim παρατηρούν ζωντανό εγκεφαλικό ιστό σε μια πλατφόρμα πολλαπλών επιθεμάτων ενώ βρίσκονταν στο Εργαστήριο Ηλεκτροφυσιολογίας στο Ινστιτούτο Allen. Πίστωση: Eric Dennel/Allen Institute

«Βλέπω αυτό ως μια κομβική στιγμή στη νευροεπιστήμη, καθώς οι νέες τεχνολογίες μας επιτρέπουν πλέον να κατανοήσουμε την πολύ λεπτομερή κυτταρική οργάνωση του ανθρώπινου εγκεφάλου και των εγκεφάλων άλλων πρωτευόντων», δήλωσε ο Ed Lin, Ph.D., ανώτερος ερευνητής στο Allen Πανεπιστήμιο. Ινστιτούτο Επιστημών Εγκεφάλου, το οποίο οδήγησε αρκετές από τις πρόσφατα δημοσιευμένες μελέτες. «Αυτό το έργο είναι ουσιαστικά ένας θρίαμβος για τη μοριακή βιολογία: η διαφορική χρήση των γονιδίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό των τύπων κυττάρων και τα εργαλεία γονιδιωματικής μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία των πρώτων σχεδίων σχολιασμένων χαρτών υψηλής ανάλυσης των κυττάρων που αποτελούν ολόκληρο τον ανθρώπινο εγκέφαλο .»

Οι μελέτες εξετάζουν επίσης μια σειρά από σημαντικά ερωτήματα όπως: Πόσο διαφορετικοί είναι οι εγκέφαλοι των ανθρώπων σε κυτταρικό επίπεδο; Πόσο διαφορετικός είναι ο εγκέφαλός μας από εκείνους των στενότερων συγγενών μας πιθήκων; Πόσους τύπους εγκεφαλικών κυττάρων έχουμε; Ποια είναι τα χαρακτηριστικά αυτών των κυττάρων; Πώς εμφανίζονται και ωριμάζουν αυτά τα κύτταρα στην ανάπτυξη;

Με βάση προηγούμενες εργασίες για τη χαρτογράφηση τύπων εγκεφαλικών κυττάρων σε υψηλή ανάλυση σε μία μόνο εικόνα Περιφέρειες Για τον ανθρώπινο φλοιό, το εξωτερικό κέλυφος του εγκεφάλου, το πρόσφατα δημοσιευμένο πακέτο επεκτείνει αυτές τις μελέτες για να συμπεριλάβει δεκάδες έως εκατό περιοχές σε ολόκληρο τον εγκέφαλο. Μελέτες σε μία μόνο περιοχή έχουν βρει περισσότερους από 100 διαφορετικούς τύπους εγκεφαλικών κυττάρων και πρόσφατα δημοσιευμένα δεδομένα δείχνουν χιλιάδες διαφορετικούς τύπους εγκεφαλικών κυττάρων σε ολόκληρο τον εγκέφαλο. Για πολλά μέρη του εγκεφάλου, τέτοια πολυπλοκότητα και ποικιλομορφία δεν έχουν περιγραφεί ποτέ πριν.

Αυτές οι μελέτες αποτελούν μέρος του Δικτύου Απογραφής Εγκεφαλικών Κυττάρων του Εθνικού Ινστιτούτου Υγείας ή BICCN, ενός πενταετούς χρηματοδοτικού προγράμματος που ξεκίνησε το 2017 για τη δημιουργία ενός καταλόγου τύπων εγκεφαλικών κυττάρων. Αυτή η εργασία έδειξε την επεκτασιμότητα των κυτταρικών και μοριακών προσεγγίσεων αιχμής για την αντιμετώπιση των προκλήσεων του μεγέθους και της πολυπλοκότητας του ανθρώπινου εγκεφάλου και άνοιξε το δρόμο για την επόμενη φάση των προσπαθειών μέτρησης κυττάρων. Αυτό το επόμενο στάδιο, Ένα μέρος του επεξεργάζεται Στο Ινστιτούτο Άλεν, θα δημιουργήσει πολύ πιο ολοκληρωμένους άτλαντες εγκεφάλου ανθρώπων και άλλων πρωτευόντων μέσω του Δικτύου Κυττάρων Άτλαντων της Πρωτοβουλίας BRAIN, ή BICAN.

«Το τρέχον σύνολο μελετών αντιπροσωπεύει ένα επίτευγμα ορόσημο που συνεχίζει να χτίζει μια σημαντική γέφυρα για να φωτίσει την πολυπλοκότητα του ανθρώπινου εγκεφάλου σε κυτταρικό επίπεδο», δήλωσε ο Δρ John Ngai, διευθυντής του NIH BRAIN Initiative. «Οι επιστημονικές συνεργασίες που δημιουργήθηκαν μέσω του BICCN και συνεχίζονται στην επόμενη φάση του BICAN, προχωρούν το πεδίο με τεράστιο ρυθμό· η πρόοδος – και οι δυνατότητες – ήταν απλά εκπληκτικές».

Ανθρώπινες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει μεταθανάτιο ιστό από ανθρώπους που πρόσφεραν τον εγκέφαλό τους στην επιστήμη, καθώς και υγιή ζωντανό ιστό που δωρήθηκε από ασθενείς που υποβλήθηκαν σε χειρουργική επέμβαση εγκεφάλου και δώρησαν ιστό για έρευνα.

Τα δεδομένα από πρόσφατα δημοσιευμένες μελέτες θα ανατροφοδοτήσουν επίσης Άτλας ανθρώπινων κυττάρωνΕίναι μια διεθνής προσπάθεια που στοχεύει στη δημιουργία ενός ολοκληρωμένου άτλαντα αναφοράς κυττάρων σε όλα τα όργανα, τους ιστούς και τα συστήματα του ανθρώπινου σώματος.

Οι πέντε μελέτες που πραγματοποιήθηκαν από το Allen Institute περιλαμβάνουν:

• Εξερευνήστε το Διακύμανση στους τύπους των εγκεφαλικών κυττάρων μεταξύ των ατόμων. Σε αυτή τη μελέτη, οι επιστήμονες εξέτασαν τα εγκεφαλικά κύτταρα με βάση τα επίπεδα γονιδίων που ενεργοποιούν σε μια περιοχή του φλοιού, τη μεσαία κροταφική έλικα, σε 75 διαφορετικούς ενήλικες δότες. Αυτή ήταν μια από τις πρώτες μελέτες ανθρώπινου εγκεφάλου που συνέκρινε μεγάλο αριθμό ατόμων χρησιμοποιώντας τεχνικές μονοκυττάρου. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι παρόλο που όλοι έχουμε τον ίδιο κατάλογο βασικών κυτταρικών μερών, οι αναλογίες ορισμένων τύπων κυττάρων και τα γονίδια που λειτουργούν σε αυτά τα κύτταρα διαφέρουν πολύ από άτομο σε άτομο.
• ένα Σύγκριση τύπων εγκεφαλικών κυττάρων μεταξύ των ανθρώπων και των στενότερων συγγενών μας πιθήκων, χιμπατζήδων και γορίλων. Αυτές οι μελέτες αποκαλύπτουν ότι μοιραζόμαστε την ίδια βασική αρχιτεκτονική τύπου εγκεφαλικών κυττάρων με τους εξελικτικούς ξαδέρφους μας, αλλά υπάρχουν αλλαγές στα γονίδια που χρησιμοποιούνται από αυτούς τους διατηρημένους τύπους κυττάρων. Συγκεκριμένα, πολλά γονίδια που εμπλέκονται στις συνδέσεις μεταξύ των νευρώνων και στον σχηματισμό κυκλωμάτων στον εγκέφαλο διαφέρουν μεταξύ των ανθρώπων και των άλλων πρωτευόντων. «Αυτό δημιουργεί μια εύλογη εξήγηση για το πώς η γνωστική ικανότητα αυξάνεται μέσω της εξέλιξης, συνδέοντας κυκλώματα από τους ίδιους τύπους κυττάρων ή αλλάζοντας τα κέρδη στο σύστημα με ελαφρώς διαφορετικούς τρόπους», είπε ο Lin.
• Βαθιά κατάδυση Συγκρίνετε τα κύτταρα που σχηματίζονται σε διαφορετικές περιοχές του ανθρώπινου εγκεφαλικού φλοιού, την έδρα πολλών από τις ανώτερες γνωστικές μας λειτουργίες. Αυτή η μελέτη εξέτασε μια ποικιλία τύπων κυττάρων σε διαφορετικές περιοχές του φλοιού και διαπίστωσε ότι ο οπτικός μας φλοιός, όπου επεξεργαζόμαστε αυτό που βλέπουμε, είναι πιο εξειδικευμένος και διακριτός από άλλες περιοχές και πιο εξειδικευμένος από τον οπτικό φλοιό του ποντικιού. Αυτή η ανακάλυψη πιθανότατα σχετίζεται με το γεγονός ότι οι άνθρωποι και άλλα πρωτεύοντα βασίζονται στην αίσθηση της όρασής μας περισσότερο από πολλά άλλα θηλαστικά.
• Δύο μελέτες Ανάλυση των ιδιοτήτων των ανασταλτικών νευρώνων Από τον ανθρώπινο νεοφλοιό, εξερευνώντας τις ηλεκτρικές του ιδιότητες και τα πολύπλοκα τρισδιάστατα σχήματα καθώς και τα γονίδια που τον τροφοδοτούν, μια προσέγγιση που απαιτεί τη χρήση ζωντανού ιστού που λαμβάνεται από νευροχειρουργικές επεμβάσεις για τη θεραπεία ανίατης επιληψίας ή όγκων εγκεφάλου. Αυτές οι μελέτες παρέχουν βασικές πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες των ανθρώπινων νευρώνων, συμπεριλαμβανομένων αρκετών τύπων που βρίσκονται σε ανθρώπους και ορισμένα άλλα θηλαστικά αλλά όχι σε ποντίκια, συμπεριλαμβανομένων των κυττάρων που ονομάζονται περιγραφικά. Κύτταρα τριανταφυλλιάς Και κυψέλες διπλής συσκευασίας.

Αναφορά: «Έρευνα στον ανθρώπινο εγκέφαλο» από τον Mattia Marusso, 12 Οκτωβρίου 2023, Επιστήμες.
doi: 10.1126/science.adl0913

Η έρευνα που αναφέρεται εδώ υποστηρίχθηκε από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας για την Έρευνα Εγκεφάλου μέσω Καινοτόμων Νευροτεχνολογιών (BRAIN). Το περιεχόμενο είναι αποκλειστικά ευθύνη των συγγραφέων και δεν αντιπροσωπεύει απαραίτητα τις επίσημες απόψεις των Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας.