Нейробиологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего проанализировали более миллиона клеток человеческого мозга и выявили более 100 различных подтипов, а также обнаружили связи между некоторыми из них и психоневрологическими заболеваниями. На основании этих данных они разработали модели машинного обучения, которые помогут прогнозировать риск развития этих болезней. Своим открытием ученые поделились в специальном выпуске журнале Science.
Визуализация атласа мозга. Credit Michael Hawrylycz, Technology Networks Cell Science
Работа исследователей проходит в рамках крупного проекта BRAIN Initiative — Cell Census Network — Атласа клеток мозга млекопитающих, в прямом смысле слова переписи клеток с описанием их молекулярных, генетических и других особенностей.
Каждая клетка человеческого мозга содержит одну и ту же последовательность ДНК, но работают гены по-разному. Активность тех или иных генов зависит от разного рода регуляторов — своего рода инструкций, которые показывают, какие участки ДНК должны быть включены, а какие выключены. Так создается множество различных типов клеток мозга, что способствует усложнению нейронных цепей — всего в человеческом мозге около 86 миллиардов нейронов со 100 триллионами связей между ними.
В новой работе ученые проанализировали более 1,1 миллиона клеток мозга в 42 различных областях: в коре, гиппокампе, базальных ядрах, среднем мозге, таламусе, мозжечке и варолиевом мосту. Исследование проводилось на клетках трех доноров 29, 42 и 58 лет, которые после смерти пожертвовали свои тела науке. Ученые идентифицировали 107 подтипов клеток (с различными участками ДНК, регулирующими экспрессию генов) .
«Человеческий мозг неоднороден. Он состоит из чрезвычайно сложной сети нейронов и ненейрональных клеток, каждая из которых выполняет разные функции. Составление карты различных типов клеток мозга и понимание того, как они работают вместе, в конечном итоге поможет нам открыть новые методы лечения, которые могут воздействовать на отдельные типы клеток, имеющие отношение к конкретным заболеваниям», — отметил старший автор Бинг Рен, профессор Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Затем соотнеся новые данные с полученными раннее, исследователи смогли сопоставить типы клеток мозга с широким спектром нервно-психических заболеваний: шизофренией, биполярным расстройством, болезнью Альцгеймера, большой депрессией, зависимостью от табака и алкоголя и др. Так, генетические варианты, ассоциированные с шизофренией и биполярным расстройством, находились в некодирующих участках ДНК (Cis-regulatory elements, CREs), которые работали в клетках различных областей мозга, с употреблением табака и алкоголя — в базальных ганглиях, а болезнью Альцгеймера — в клетках микроглии.
Затем исследователи использовали эти данные для создания моделей машинного обучения, чтобы предсказать риск развития этих заболеваний.
Хотя новые результаты дают важное представление о человеческом мозге и его патологиях, исследователи признаются, что они еще далеки от завершения картирования мозга.
Текст: Вера Васина
A comparative atlas of single-cell chromatin accessibility in the human brain by Yang Eric Li et al in Science. Published October 2023.
DOI: 10.1126/science.adf704