Два новых исследования развивающегося человеческого мозга помогают исследователям примирить давние споры о том, как формируется мозг. Исследование появилось 6 октября в специальном выпуске журнала Nature, в котором освещаются исследования, которые вносят вклад в перепись клеток или «список частей» мозга.
Документы Калифорнийского университета в Сан-Франциско проливают свет на то, как развивающаяся кора головного мозга — внешний слой мозга, связанный с высокоуровневой обработкой, — развивает свою характеристическую карту, которая является общей для всех людей и имеет решающее значение для нашего функционирования.
Работа также подтверждает новый подход к прогнозированию того, какими клетками могут стать ранние нейроны человека, и предоставляет обширный набор данных для исследователей, работающих над выяснением связей между развитием мозга и психиатрическими и неврологическими заболеваниями.
«Понимание того, как развивается человеческий мозг — как клетки созревают и соединяются в разных регионах — остается огромной проблемой», — говорит Арнольд Кригштейн, доктор медицины, доктор философии, профессор неврологии и член Института неврологии UCSF Weill и бывший директор отдела нейробиологии. Эли и Эдит Брод Центр регенеративной медицины и исследования стволовых клеток. «Сегодня во всем мире предпринимаются попытки использовать новые технологии для понимания развивающегося мозга на молекулярном и клеточном уровне таким образом, который раньше был невозможен».
Содержание
Особый вид карты
Сложная топография мозга отличает его от других органов тела. В почках или печени удаление кусочка, вероятно, будет иметь одинаковый эффект, независимо от того, идет ли речь о верхней или нижней части органа. Но в мозгу повреждение может иметь совершенно разные последствия в зависимости от местоположения. Повреждение головного мозга по направлению к задней части черепа, скорее всего, повлияет, например, на зрение, тогда как повреждение сбоку может вызвать проблемы с движением или ощущением прикосновения. Несмотря на то, что нейробиологи хорошо знают эту карту и ее важность, они давно обсуждают, как она возникает.
В течение многих лет исследователи задавались вопросом, может ли ранняя ткань мозга содержать заранее заданную карту, которая просто переносится в кору по мере ее развития — идея, получившая название гипотезы протокарты. Другие отдали предпочтение конкурирующей гипотезе протокортекса, которая предполагает, что все ранние нейроны могут стать любой частью мозга и что их постоянное взаимодействие друг с другом помогает каждому нейрону определить свое конечное предназначение на растущей карте мозга.
«Наши новые результаты говорят о том, что есть и то, и другое», — сказал Кригштейн.
Применяя передовую методологию, Кригштейн и его команда проанализировали профили генетической экспрессии сотен тысяч развивающихся клеток мозга. Они обнаружили, что клетки префронтальной коры, области в передней части мозга, связанной с познанием, и V1, задней части мозга, важной для зрения, экспрессируют гены, связанные с соответствующими областями на очень ранней стадии. Однако развитие клеток между двумя полюсами мозга заняло гораздо больше времени, прежде чем начали проявлять паттерны экспрессии генов, определяющие их местонахождение.
«Мы видим, что на раннем этапе есть только две основные области коры головного мозга, которые четко различаются — передняя и задняя», — говорит Кригштейн. «Но позже области между ними начинают разделяться, возможно, по мере того, как продолжающиеся взаимодействия влияют на клеточные идентичности в этих областях».
Другими словами, разворачивающаяся организация коры головного мозга, кажется, начинается с заранее определенной протокарты, которая устанавливает полюса мозга, но быстро переключается на модель протокортекса, поскольку клетки в середине помогают управлять идентичностями друг друга.
Ранее предсказанная идентичность
В параллельном исследовании исследователи UCSF сделали дополнительный шаг к более детальному пониманию развития мозга, разработав новый метод прогнозирования конечной судьбы ранних нервных клеток. Вместо того, чтобы идентифицировать отдельные клетки, глядя на экспрессию генов в форме транскриптов мРНК — молекулярные рабочие приказы, которые сообщают клеточному механизму, какие белки строить, — исследователи задавались вопросом, можно ли определить идентичность клеток, глядя на структуру самого генетического материала. Обратив свой взор на хроматин — беспорядок из цепочек ДНК и белков, уникально упакованных в каждой клетке, они обнаружили, что судьбу клеточного клона можно предсказать еще до стадии, когда ее можно было бы назвать нейроном. Это означает, что состояние хроматина может раскрыть ключевую информацию о развивающихся клетках, которая не может быть уловлена только экспрессией генов.
По словам исследователей, это может быть связано с тем, что мРНК в клетке недолговечна, поскольку она просто доставляет инструкции от одной части клетки к другой. Но структура, созданная тем, как ДНК наматывается на различные белки — «состояние хроматина» клетки — более стабильна и напрямую определяет, какие инструкции отправляются. Гены фрагментов ДНК, которые плотно обернуты вокруг белков, спрятаны — так сказать, закрыты для бизнеса, — в то время как гены, выходящие из белков, открыты. Таким образом, логично, что изучение состояния хроматина может многое рассказать исследователям о том, что происходит внутри клетки.
Ресурс для всех
Однако работа Кригштейна и его коллег выходит далеко за рамки вопросов, задаваемых в их текущих исследованиях. При картировании экспрессии генов и состояний хроматина в развивающемся мозге команда создала уникальную базу данных, которая находится здесь в свободном доступе, где ученые могут тщательно изучить поведение генов, которые, как они уже знают, связаны с заболеванием. Ученые знают, что состояния от болезни Паркинсона до шизофрении и нарушений развития нервной системы, по-видимому, связаны с очень специфическими типами клеток или очень определенными временными точками в течение жизни мозга. Но ученые мало знают о том, как и когда нервные клетки попадают в беду и можно ли что-нибудь сделать для их защиты.
«Местоположение и идентичность клеток во многом зависят от того, уязвимы ли они к определенным заболеваниям», — говорит Кригштейн. «Наш набор данных очень богат экспрессией генов, которые другие люди уже определили, как связанные с целым рядом заболеваний. Это может дать нам представление о том, где и когда начинают проявляться некоторые из этих болезней».
