„O nouă eră în știința creierului”. Cercetătorii de la Institutul Salk au dezvăluit atlasul creierului uman

Cercetătorii Institutului Salk (SUA), ca parte a unei colaborări mai ample cu echipe de cercetare din întreaga lume, au analizat mai mult de jumătate de milion de celule cerebrale din trei creieri umani pentru a asambla atlasul de celule ale creierului uman în detalii fără precedent.

Cercetarea, publicată într-un număr special al revistei Science, semnifică prima dată când tehnicile de identificare a subtipurilor de celule cerebrale dezvoltate și aplicate inițial la șoareci au fost aplicate la creierul uman.

• De Crăciun au loc mai multe atacuri de cord decât în oricare altă zi din an
• De ce uneori zăpada pare albastră?

„Aceste lucrări reprezintă primele teste pentru a stabili dacă aceste abordări pot funcționa în mostre de creier uman și am fost încântați de cât de bine s-au potrivit”, spune profesorul Joseph Ecker, directorul Laboratorului de analiză genomică de la Salk și cercetător al Institutului Medical Howard Hughes.

A fost realizat atlasul de celule ale creierului uman

„Acesta este într-adevăr începutul unei noi ere în știința creierului, în care vom putea înțelege mai bine modul în care creierul se dezvoltă, îmbătrânește și este afectat de boală”, a continuat Ecker.

Noua lucrare face parte din Cercetarea Cercetării Creierului a Institutului Național de Sănătate prin Inițiativa Avansare a Neurotehnologiilor Inovatoare (Inițiativa BRAIN), un efort lansat în 2014 pentru a descrie întreaga multitudine de celule, caracterizate prin multe tehnici diferite, din creierul mamiferelor. Salk este una dintre cele trei instituții cărora li s-au acordat subvenții pentru a acționa ca actori centrali în generarea de date pentru Rețeaua de recensământ de celule NIH BRAIN Initiative, BICCN, potrivit Eurek Alert.

Fiecare celulă dintr-un creier uman conține aceeași secvență de ADN, dar, în diferite tipuri de celule, gene diferite sunt copiate pe catenele de ARN pentru a fi utilizate ca modele de proteine. Această variație finală în care se găsesc proteinele în ce celule și la ce niveluri permite marea diversitate a tipurilor de celule ale creierului și complexitatea creierului.

Cunoașterea celulelor pe care se bazează secvențele de ADN pentru a funcționa este esențială nu numai pentru înțelegerea modului în care funcționează creierul, ci și a modului în care mutațiile ADN-ului pot provoca tulburări ale creierului și, în mod corespunzător, a modului de tratare a acestor tulburări.

„Odată ce ne extindem tehnicile la un număr mare de creieri, putem începe să abordăm întrebări la care nu am putut răspunde în trecut”, spune Margarita Behrens, profesoară de cercetare la Laboratorul de Neurobiologie Computațională din cadrul Salk.

În ce a constat munca cercetătorilor?

În 2020, Ecker și Behrens au condus echipa Salk care a profilat 161 de tipuri de celule din creierul șoarecelui, pe baza markerilor metil-chimici aflați de-a lungul ADN-ului, care specifică când sunt activate sau dezactivate genele. Acest tip de reglare a ADN-ului, numită metilare, este un nivel de identitate celulară.

Pentru atlasul de celule ale creierului uman, cercetătorii au folosit aceleași instrumente pentru a determina modelele de metilare ale ADN-ului în mai mult de 500.000 de celule cerebrale din 46 de regiuni din creierul a trei donatori. În timp ce creierii de șoarece sunt în mare parte la fel de la animal la animal și conțin aproximativ 80 de milioane de neuroni, creierul uman variază mult mai mult și conține aproximativ 80 de miliarde de neuroni.

„Este un salt mare de la șoareci la oameni și introduce, de asemenea, unele provocări tehnice pe care a trebuit să le depășim. Dar am reușit să adaptăm lucruri pe care le-am observat la șoareci și să obținem totuși rezultate de foarte bună calitate cu creierul uman”, spune Behrens.

Numeroase tehnici au fost folosite pentru a crea atlasul de celule ale creierului uman

În același timp, cercetătorii au folosit și o a doua tehnică, care a analizat structura tridimensională a moleculelor de ADN din fiecare celulă pentru a obține informații suplimentare despre ce secvențe de ADN sunt utilizate în mod activ. Zonele de ADN care sunt expuse sunt mai susceptibile de a fi accesate de celule decât porțiunile de ADN care sunt strâns pliate.

„Este prima dată când ne uităm la aceste structuri dinamice ale genomului la un nivel cu totul nou de granularitate a tipului de celule din creier și modul în care acele structuri pot regla genele active în tipuri de celule diferite”, spune Jingtian Zhou, cercetător postdoctoral în laboratorul lui Ecker.

Alte echipe de cercetare au folosit celule din aceiași trei creieri umani pentru a-și testa propriile tehnici de profilare a celulelor, printre care un grup de la UC San Diego condus de Bing Ren, de asemenea, coautor studiul lui Ecker și Behrens. Echipa lui Ren a dezvăluit o legătură între anumite tipuri de celule ale creierului și tulburările neuropsihiatrice, cum ar fi schizofrenia, tulburarea bipolară, boala Alzheimer și depresia majoră. În plus, echipa a dezvoltat modele de învățare profundă de Inteligență Artificială care prezic riscul pentru aceste tulburări.

Un efort global

Alte grupuri din colaborarea globală s-au concentrat pe măsurarea nivelurilor de ARN pentru a grupa celulele împreună în subtipuri. Grupurile au găsit un nivel ridicat de corespondență în fiecare regiune a creierului între care genele au fost activate, pe baza studiilor ADN realizate de echipa lui Ecker și Behrens, și care gene s-au dovedit a fi transcrise în ARN.

Deoarece noua cercetare de la Salk a fost concepută ca un studiu pilot pentru a testa eficacitatea tehnicilor în creierul uman, cercetătorii spun că încă nu pot trage concluzii despre câte tipuri de celule ar putea descoperi în creierul uman sau despre modul în care aceste tipuri diferă de la șoareci la oameni.

„Potențialul de a găsi tipuri de celule unice la oameni pe care nu le vedem la șoareci este cu adevărat incitant. Am făcut progrese uimitoare, dar întotdeauna sunt mai multe întrebări de pus”, spune Wei Tian, co-prim autor al noii lucrări și cercetător în laboratorul lui Ecker.

La ce ne ajută atlasul de celule ale creierului uman?

În 2022, NIH Brain Initiative a lansat o nouă rețea BRAIN Initiative Cell Atlas Network (BICAN), care va urma eforturile BICCN. La Salk, un nou Centru pentru Atlasul Celulelor Creierului Uman Multiomic, finanțat prin BICAN, își propune să studieze celulele din peste 12 creieri umani și să pună întrebări despre cum se schimbă creierul în timpul dezvoltării, pe durata vieții oamenilor și odată cu boala. Lucrarea mai detaliată asupra unui număr mai mare de creieri, spune Ecker, va deschide calea către o mai bună înțelegere a modului în care anumite tipuri de celule ale creierului funcționează greșit în tulburările și bolile creierului.

„Vrem să avem o înțelegere completă a creierului de-a lungul vieții, astfel încât să putem identifica exact când, cum și în ce tipuri de celule lucrurile merg prost în cadrul bolilor și potențial să prevenim sau să inversăm aceste schimbări dăunătoare”, spune Ecker.

Vă recomandăm să citiți și:

Întorsătură neașteptată de situație: Internetul ar fi benefic pentru prevenirea demenței

Oamenii de știință au descoperit că marijuana lasă metale grele în corpul uman

Cele mai frecvente 10 coșmaruri și ce înseamnă fiecare, potrivit științei

Risc tot mai crescut de cancer la oamenii sub 50 de ani