Dešifrování neuropsychiatrických poruch pomocí atlasu lidských mozkových buněk

Výzkumníci z Kalifornské univerzity v San Diegu ve velkém společném úsilí zmapovali genové přepínače v různých typech mozkových buněk analýzou více než milionu lidských mozkových buněk. Tato studie, součást BRAIN Initiative, vrhá světlo na vztah mezi určitými typy buněk a neuropsychiatrickými poruchami. Použili také umělou inteligenci k předpovědi účinků konkrétních vysoce rizikových genetických variant.

Výzkumníci mapují klíčové geny a typy mozkových buněk spojené se schizofrenií, bipolární poruchou, Alzheimerova choroba Nemoc a těžké deprese.

Ve velkém multiinstitucionálním úsilí vedeném Kalifornskou univerzitou v San Diegu (UCSD) vědci analyzovali více než milion lidských mozkových buněk, aby vytvořili podrobné mapy přepínání genů v typech mozkových buněk, které odhalily spojení mezi konkrétními typy buněk. A různé běžné neuropsychiatrické poruchy. Tým také vyvinul nástroje umělé inteligence k předpovídání dopadu jednotlivých vysoce rizikových genetických variant mezi těmito buňkami a toho, jak mohou přispět k onemocnění.

„Lidský mozek není homogenní. Je to spíše mozaika různých typů buněk, které vypadají odlišně a vykonávají různé funkce. Identifikace různých typů buněk v mozku a pochopení toho, jak fungují, nám nakonec pomůže objevit nové léčebné postupy, které mohou zacílit jednotlivé typy buněk relevantní pro konkrétní onemocnění. — Ping Ren, Ph.D

Iniciativa BRAIN a její cíl

Tento průkopnický výzkum, který byl prezentován ve speciálním čísle časopisu vědy dne 13. října 2023 je součástí výzkumu mozku National Institutes of Health prostřednictvím iniciativy Advanced Innovative Neurotechnologies Initiative neboli BRAIN Initiative, která byla zahájena v roce 2014. Cílem této iniciativy je změnit chápání savčího mozku, částečně vývojem nových technologie . Neurotechniky pro charakterizaci typů neuronových buněk.

Pochopení buněčných rozdílů

Každá buňka v lidském mozku obsahuje stejnou sekvenci DNAAle různé typy buněk používají různé geny v různém množství. Tato variace produkuje mnoho různých typů mozkových buněk a přispívá ke složitosti nervových obvodů. Naučit se, jak se tyto typy buněk liší na molekulární úrovni, je zásadní pro pochopení toho, jak mozek funguje, a pro vývoj nových způsobů léčby neurologických a psychiatrických onemocnění.

Složitost lidského mozku

„Lidský mozek není homogenní,“ řekl vedoucí výzkumník Ping Ren, Ph.D., profesor na lékařské fakultě UC San Diego. „Tvoří je velmi složitá síť neuronů a neneuronových buněk, z nichž každá plní různé funkce. Identifikace různých typů buněk v mozku a pochopení toho, jak spolupracují, nám nakonec pomůže objevit nové léčebné postupy, které mohou zacílit jednotlivé typy buněk relevantní pro konkrétní onemocnění.“

Hlavní závěry studie

V nové studii tým výzkumníků analyzoval více než 1,1 milionu mozkových buněk ve 42 různých oblastech mozku ze tří lidských mozků. Identifikovali 107 různých podtypů mozkových buněk a dokázali spojit aspekty jejich molekulární biologie s širokou škálou neuropsychiatrických onemocnění, včetně schizofrenie, bipolární poruchy, Alzheimerovy choroby a velké deprese. Výzkumníci pak tato data použijí k vytvoření modelů strojového učení k předpovědi, jak specifické sekvenční variace v DNA ovlivňují genovou regulaci a přispívají k onemocnění.

Pokračující výzkum a budoucí úsilí

I když tyto nové poznatky poskytují důležité poznatky o lidském mozku a jeho nemocech, vědci jsou stále daleko od zmapování mozku. V roce 2022 se UC San Diego připojila k Salk Institute a dalším při spuštění Centra pro polygonální atlas lidských mozkových buněk, jehož cílem je studovat buňky z více než tuctu lidských mozků a klást otázky o tom, jak se mozek během vývoje mění. lidských životů as nemocí.

„Rozšíření naší práce na větší úroveň detailů na větším počtu mozků nás přivede o krok blíže k pochopení biologie neuropsychiatrických poruch a toho, jak je lze rehabilitovat,“ řekl Ren.

Reference: „Srovnávací atlas dostupnosti jednobuněčného chromatinu v lidském mozku“ od 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. Margarita Behrens, Joseph R. Eker, Ping Ren, 13 let, říjen 2023, vědy.
doi: 10.1126/science.adf7044

Spoluautoři studie jsou: Yang Eric Li, Sebastian Pressel, Michael Miller, Zihan Wang, Henry Jiao, Chenxu Zhu, Zhaoning Wang, Yang Espinoza, Jingbo Zhang a Allen Wang z Kalifornské univerzity v San Diegu a Nicholas D. Johnson Antonio Pinto Duarte, Wei Tian Nora Emerson, Julia Austin, Jacinta Lucero, M. Margareta Burnsová a Joseph R. Ecker v Salkově ústavu pro biologická studia. Kimberly Sillett a Steen Lennarsson z Karolinxa Institute Annamarie Janni, Julie Nyhus, Nick Dee, Tamara Kasper, Nadja Shapovalova, Daniel Hirschstein a Rebecca D. Hodge Trygve Bakken, Boaz Levy a Ed Lin z Allen Institute for Brain Sciences a C. Dirk Kane dovnitř University of Washington Seattle.

Studie byla dříve podporována Národní institut zdraví (Granty UM1MH130994, U01MH114812, U54HG012510 a S10 OD026929), National Science Foundation (Grant OIA-2040727); a Nancy and Buster Alford Endowment, Life Sciences Research Foundation a také dary od společností Google, Adobe a Teradata.