اولین نقشه سلولی کامل مغز پستانداران با 5300 نوع سلول
اولین نقشه سلولی کامل مغز پستانداران با 5300 نوع سلول -اطلس با وضوح بالا، همسایگی های عصبی را برای بیش از 5300 نوع سلول ترسیم می کند.
شش سال و 32 میلیون سلول بعد، دانشمندان اولین نقشه سلولی کامل مغز یک پستاندار را ایجاد کردند. در مجموعه ای از 10 مقاله در نیچر امروز، شبکه ای از محققان از اطلسی پرده برداری کردند که مکان و نوع هر سلول در مغز موش بالغ را فهرست بندی می کرد.
تیم‌ها با استفاده از فناوری‌های پیشرفته‌ای که سلول‌های فردی را نشان می‌دهند، بیش از 5300 نوع سلول را شناسایی کردند – بسیار بیشتر از آنچه قبلاً شناخته شده بود – و مکان آنها را در جغرافیای پیچیده مغز مشخص کردند.
رونمایی از معماری پیچیده مغز
دکتر هونگکوی زنگ، معاون اجرایی و مدیر مؤسسه علوم مغز آلن، گفت: داشتن یک فهرست کامل از مغز به تسریع تلاش‌ها برای کشف نحوه عملکرد آن کمک می‌کند.
Zeng که یکی از این مطالعات را رهبری می‌کرد، گفت: «این یک دستاورد برجسته است که واقعاً درها را برای مرحله بعدی تحقیقات در مورد عملکرد، رشد و تکامل مغز، مشابه ژنوم‌های مرجع برای مطالعه عملکرد ژن و تکامل ژنومی باز می‌کند.» “
همکاران من گفتند که 5000 نوع سلولی که ما شناسایی کردیم، دانشمندان علوم اعصاب را برای 20 سال آینده مشغول خواهد کرد تا بفهمند این نوع سلول ها چه کاری انجام می دهند و چگونه در بیماری تغییر می کنند.”
این کار جمعی، سنگ بنای شبکه سرشماری سلولی ابتکار مغز مؤسسه ملی سلامت یا BICCN است.
صدها محقق به این پروژه کمک کردند، که توسط تحقیقات مغز NIH از طریق ابتکار نوآورانه نوروتکنولوژی‌های عصبی (BRAIN) یا The BRAIN Initiative® تأمین مالی شد.
جان نگای، دکتری، گفت: «جایی که قبلاً در تاریکی می‌ایستادیم، این دستاورد نقطه عطف نور درخشانی را می‌تاباند و به محققان امکان دسترسی به مکان، عملکرد و مسیرهای بین انواع سلول‌ها و گروه‌های سلولی را می‌دهد، به گونه‌ای که قبلاً نمی‌توانستیم تصور کنیم».
“این محصول گواهی بر قدرت این همکاری بی سابقه و مقطعی است و مسیر ما را برای درمان های دقیق تر مغز هموار می کند.”
پیوند ژنتیک با جغرافیای مغز
با ترکیب توالی‌یابی RNA تک سلولی با رونویسی فضایی – روش‌هایی برای تعیین اینکه کدام ژن در سلول‌های منفرد بیان می‌شوند و آن سلول‌ها در کجا قرار دارند – Zeng و همکارانش پیچیدگی و تنوع شگفت‌انگیز مغز را آشکار کردند .
Zeng گفت که یکی از مکاشفه های اصلی اطلس، ارتباط عمیق بین هویت ژنتیکی سلول و موقعیت مکانی آن است.
این رابطه نشان می‌دهد که مکان چگونه عملکرد را شکل می‌دهد و سرنخ‌هایی از تاریخ تکامل و تعاملات پیچیده مناطق مختلف مغز ارائه می‌دهد.
او گفت: “ما در حال مشاهده بلوک های سازنده مدارهای مغز هستیم.” “سازمان مغز احتمالاً تاریخچه تکاملی آن را منعکس می کند.”
یکی از یافته‌های جالب، سازماندهی سلولی متمایز بین بخش‌های تحتانی (“شکمی”) در مقابل بخش بالایی (“پشتی”) مغز است.
در حالی که بخش شکمی باستانی دارای موزاییکی از سلول های مرتبط با یکدیگر است، قسمت پشتی جدیدتر حاوی انواع سلول های کمتر اما بسیار متفاوت است.
Zeng گفت که این تمایز می تواند کلیدی برای رمزگشایی اینکه چگونه مناطق مختلف مغز نقش های منحصر به فرد را تکامل می دهند، به عنوان مثال، قسمت شکمی برای بقای اساسی و قسمت پشتی برای انطباق.
باز کردن رازهای ارتباط سلولی
محققان همچنین دریافتند که فاکتورهای رونویسی – پروتئین هایی که فعالیت ژن را تنظیم می کنند – شامل یک “کد” است که هویت سلول را مشخص می کند.
این اطلس همچنین نشان داد که چگونه سلول‌های مغز از طریق یک مولکول سیگنال‌دهنده با یکدیگر صحبت می‌کنند، که پیام‌ها را از سلولی به سلول دیگر منتقل می‌کنند.
این تنوع تعاملات پیچیده بین انواع مختلف سلول را امکان پذیر می کند.
به گفته Zeng، هم ترازی قوی در میان مجموعه داده‌های ژنومی، اپی ژنومیک و فضایی به طور مستقل جمع‌آوری‌شده، اطمینان بالایی را ایجاد می‌کند که این اطلس بیش از هویت‌های سلولی را ترسیم می‌کند – نقشه‌های سازمانی واقعی زیربنای رشد مغز پستانداران را به تصویر می‌کشد.
مسیر رو به جلو: برنامه های کاربردی و برنامه های افزودنی
با نگاهی به آینده، اطلس می‌تواند به عنوان مدلی برای نقشه‌برداری‌های مشابه در مغز گونه‌های دیگر – یعنی مغز ما – باشد. آن کار در حال حاضر در حال انجام است .
همچنین راهنمای هدف قرار دادن ژنتیکی انواع سلول های خاص را ارائه می دهد و ابزارهایی را برای مطالعه عملکردها و بیماری های خاص قادر می سازد.
Zeng گفت که این می تواند راه را برای درمان های دقیق هموار کند.
او گفت: “ما می دانیم که بسیاری از بیماری ها در قسمت های خاصی از مغز و احتمالا در انواع سلول های خاص منشأ می گیرند.”
با در دست داشتن این نقشه، می‌توانیم دید دقیق‌تری از اختلال عملکرد بیماری به دست آوریم و سپس ابزارهای ژنتیکی یا دارویی برای هدف قرار دادن انواع سلول‌های خاص ایجاد کنیم تا به اثربخشی بیشتر و حداقل عوارض جانبی دست یابیم.»
مشارکت در تحقیقات نخاعی
دانشمندان مؤسسه آلن همچنین مطالعه ای را برای ایجاد یک نقشه دقیق از نورون هایی که مغز را به نخاع متصل می کنند ، انجام دادند و امکان حرکت و تعدیل حسی را فراهم می کردند.
در این مطالعه، تیمی به رهبری Zhigang He، Ph.D.، و Carla Winter، MD، Ph.D. از هاروارد، عمیق‌ترین توصیفات این نورون‌های برون‌تابنده ستون فقرات (SPNs) را تا به امروز ارائه کردند.
با ادغام هویت‌های مولکولی و مکان‌های این نورون‌ها در یک اطلس، دانشمندان بینشی در مورد چگونگی کنترل عملکرد و حرکت این شبکه پیچیده به دست می‌آورند.
وینتر گفت: «و با داشتن یک نقشه پایه از این نوع سلول‌ها، اکنون می‌توانیم بررسی کنیم که چگونه آسیب‌های نخاعی یا سکته مغزی آنها را تغییر می‌دهند و امیدواریم درمان‌های هدفمند را توسعه دهیم.»
دانشمندان موسسه آلن در پنج مطالعه دیگر مشارکت داشتند، از جمله:
- اطلس فضایی انواع سلول در کل مغز موش. در این مطالعه، به رهبری Xiaowei Zhuang، دکترای هاروارد، دانشمندان از پروفایل ترانویسی حل شده فضایی بیش از 1100 ژن برای نشان دادن سازمان فضایی بیش از 5000 خوشه رونویسی متمایز در سراسر مغز موش استفاده کردند. ثبت اطلس سلولی در چارچوب مختصات مشترک آلن امکان کمی سازی ترکیب و سازماندهی نوع سلول در هر ناحیه مغز را فراهم می کند. نقشه فضایی با وضوح بالا، تعاملات سلول-سلول و زیربنای مولکولی بین صدها جفت نوع سلول را نشان می دهد.
- مقایسه برنامه های تنظیم ژن در گونه های مختلف، از جمله انسان. در این مطالعه، محققان مناطق خاصی از DNA را که مانند سوئیچ عمل می‌کنند، ژن‌ها را روشن یا خاموش می‌کنند و هویت سلول را کنترل می‌کنند، تجزیه و تحلیل کردند. این تیم دریافتند که به اصطلاح ژن‌های پرش – توالی‌های DNA که می‌توانند در اطراف ژنوم حرکت کنند – بخش عمده‌ای از «سوئیچ‌های» اختصاصی انسان را در نئوکورتکس تشکیل می‌دهند. به گفته نویسندگان، از آنجایی که همین مناطق می‌توانند در بیماری‌های عصبی نیز دخیل باشند، مطالعات بیشتر می‌تواند راه را برای درمان‌های جدید نشان دهد. بینگ رن، دکترای UCSD، که با همکاری جوزف ایکر از موسسه سالک این مطالعه را رهبری می‌کند، می‌گوید: «این داده‌ها یک معدن طلا برای ژنتیک‌دانانی است که اکنون می‌توانند پایه‌های مولکولی صفات پیچیده‌ای مانند اسکیزوفرنی را کشف کنند.
