Αυτή η εργασία, μέρος του Εθνικού Ινστιτούτου Υγείας BRAIN Initiative , είναι το αποκορύφωμα πενταετούς έρευνας. «Δεν είναι απλώς ένας άτλαντας», λέει ο Ed Lein, νευροεπιστήμονας στο Allen Institute for Brain Science και ένας από τους κύριους συγγραφείς. «Πραγματικά ανοίγει ένα εντελώς νέο πεδίο, όπου μπορείτε τώρα να κοιτάξετε με εξαιρετικά υψηλή κυτταρική ανάλυση σε εγκεφάλους ειδών όπου αυτό συνήθως δεν ήταν δυνατό στο παρελθόν».
Τι είναι ο άτλας εγκεφάλου και τι το κάνει διαφορετικό;
Ο άτλαντας του εγκεφάλου είναι ένας τρισδιάστατος χάρτης του εγκεφάλου. Ορισμένοι εγκεφαλικοί άτλαντες υπάρχουν ήδη, αλλά αυτή η νέα σουίτα εγγράφων παρέχει πρωτοφανή ανάλυση ολόκληρου του εγκεφάλου για ανθρώπους και μη ανθρώπινα πρωτεύοντα. Ο άτλαντας του ανθρώπινου εγκεφάλου περιλαμβάνει τη θέση και τη λειτουργία περισσότερων από 3.000 τύπων κυττάρων σε ενήλικα και αναπτυσσόμενα άτομα. «Αυτή είναι η πιο ολοκληρωμένη περιγραφή του ανθρώπινου εγκεφάλου σε αυτό το επίπεδο και η πρώτη περιγραφή σε πολλές περιοχές του εγκεφάλου», λέει ο Lein. Αλλά εξακολουθεί να είναι ένα πρώτο σχέδιο.
Η εργασία αποτελεί μέρος του Δικτύου Απογραφής Κυττάρων BRAIN Initiative, το οποίο ξεκίνησε το 2017 με στόχο τη δημιουργία ενός ολοκληρωμένου τρισδιάστατου άτλαντα εγκεφαλικών κυττάρων αναφοράς για ποντίκια (αυτό το έργο είναι ακόμα στα σκαριά). Τα αποτελέσματα που αναφέρθηκαν στις 12 Οκτωβρίου ήταν μέρος μιας σειράς πιλοτικών μελετών για να επιβεβαιωθεί εάν οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν σε ποντίκια θα λειτουργούσαν για μεγαλύτερους εγκεφάλους.
Τι βρήκαν αυτές οι αρχικές μελέτες;
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι πραγματικά πολύπλοκος. Μέχρι στιγμής, οι ομάδες έχουν εντοπίσει περισσότερους από 3.300 τύπους κυττάρων. Και καθώς η ανάλυση γίνεται ακόμη υψηλότερη (αυτό είναι που εργάζονται τώρα), είναι πιθανό να αποκαλύψουν πολλά περισσότερα. Οι προσπάθειες για την ανάπτυξη ενός άτλαντα του εγκεφάλου του ποντικιού, έχουν εντοπίσει 5.000 τύπους κυττάρων.
Αλλά κάτω από αυτή την πολυπλοκότητα υπάρχουν μερικά κοινά σημεία. Πολλές περιοχές, για παράδειγμα, έχουν κοινούς τύπους κυττάρων, αλλά τους έχουν σε διαφορετικές αναλογίες.
Και η τοποθεσία αυτής της πολυπλοκότητας είναι εκπληκτική. Η νευροεπιστήμη έχει επικεντρώσει μεγάλο μέρος της έρευνάς της στο εξωτερικό κέλυφος του εγκεφάλου, το οποίο είναι υπεύθυνο για τη μνήμη, τη μάθηση, τη γλώσσα και πολλά άλλα. Αλλά η πλειοψηφία της κυτταρικής ποικιλομορφίας βρίσκεται στην πραγματικότητα σε παλαιότερες εξελικτικές δομές βαθιά μέσα στον εγκέφαλο, λέει ο Lein.
Πώς έφτιαξαν αυτούς τους άτλαντες;
Η κλασική προσέγγιση της νευροεπιστήμης για την ταξινόμηση των τύπων κυττάρων βασίζεται είτε στο σχήμα των κυττάρων – σκεφτείτε τα αστροκύτταρα σε σχήμα αστεριού – είτε τον τύπο δραστηριότητας των κυττάρων – όπως οι γρήγοροι ενδονευρώνες. «Αυτοί οι άτλαντες κυττάρων αξιοποιούν μια νέα σειρά τεχνολογιών που προέρχονται από τη γονιδιωματική», λέει ο Lein, κυρίως μια τεχνική γνωστή ως αλληλουχία μονοκυττάρου.
Αρχικά, οι ερευνητές ξεκινούν με ένα μικρό κομμάτι παγωμένου εγκεφαλικού ιστού από μια βιοτράπεζα. «Παίρνεις ένα χαρτομάντιλο, το τρίβεις, κάνεις προφίλ πολλών κυττάρων για να προσπαθήσεις να το κατανοήσεις», λέει ο Lein. Το κατανοούν με την αλληλουχία των πυρήνων των κυττάρων για να εξετάσουν τα γονίδια που εκφράζονται. «Κάθε τύπος κυττάρου έχει ένα συνεκτικό σύνολο γονιδίων που συνήθως χρησιμοποιούν. Και μπορείτε να μετρήσετε όλα αυτά τα γονίδια και στη συνέχεια να ομαδοποιήσετε όλους τους τύπους κυττάρων με βάση το συνολικό μοτίβο γονιδιακής έκφρασης τους», λέει ο Lein. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας δεδομένα απεικόνισης από τον εγκέφαλο του δότη, μπορούν να τοποθετήσουν αυτές τις λειτουργικές πληροφορίες εκεί που ανήκουν χωρικά.
Πώς μπορούν οι επιστήμονες να χρησιμοποιήσουν αυτούς τους άτλαντες εγκεφαλικών κυττάρων;
Υπάρχουν πάρα πολλοί τρόποι, αλλά αναφέρουν ότι μια κρίσιμη χρήση είναι να βοηθήσει στην κατανόηση της βάσης των εγκεφαλικών ασθενειών. Ένας άτλαντας αναφοράς ανθρώπινου εγκεφάλου που περιγράφει έναν φυσιολογικό ή νευροτυπικό εγκέφαλο θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν την κατάθλιψη ή τη σχιζοφρένεια ή πολλά άλλα είδη ασθενειών, λέει ο Lein. Πάρτε για παράδειγμα το Αλτσχάιμερ. Θα μπορούσατε να εφαρμόσετε αυτές τις ίδιες μεθόδους για να χαρακτηρίσετε τον εγκέφαλο ατόμων με διαφορετικά επίπεδα σοβαρότητας του Αλτσχάιμερ και στη συνέχεια να συγκρίνετε αυτούς τους εγκεφαλικούς χάρτες με τον άτλαντα αναφοράς. “Και τώρα μπορείτε να αρχίσετε να κάνετε ερωτήσεις όπως: “Είναι ορισμένα είδη κυττάρων ευάλωτα σε ασθένειες ή ορισμένα είδη κυττάρων είναι αιτιολογικά”, λέει ο Lein. Αντί να ερευνούν πλάκες και μπερδέματα, οι ερευνητές μπορούν να κάνουν ερωτήσεις σχετικά με «πολύ συγκεκριμένα είδη νευρώνων που είναι τα πραγματικά στοιχεία του κυκλώματος που είναι πιθανό να διαταραχθούν και να έχουν λειτουργικές συνέπειες», λέει.
Ποιο είναι το επόμενο βήμα;
Καλύτερη ανάλυση. «Η επόμενη φάση κινείται πραγματικά σε μια πολύ ολοκληρωμένη κάλυψη του εγκεφάλου των ανθρώπινων και των μη ανθρώπινων πρωτευόντων σε ενήλικες και την ανάπτυξη». Στην πραγματικότητα, αυτή η εργασία έχει ήδη ξεκινήσει με το BRAIN Initiative Cell Atlas Network, ένα πενταετές έργο 500 εκατομμυρίων δολαρίων. Ο στόχος είναι να δημιουργηθεί ένας πλήρης άτλας αναφοράς των τύπων κυττάρων στον ανθρώπινο εγκέφαλο καθ’ όλη τη διάρκεια της ζωής, καθώς και να χαρτογραφηθούν οι αλληλεπιδράσεις των κυττάρων που αποτελούν τη βάση ενός ευρέος φάσματος εγκεφαλικών διαταραχών.
Το 2013, η Courtney Humphries ανέφερε την ανάπτυξη του BigBrain , ενός άτλαντα ανθρώπινου εγκεφάλου που βασίζεται σε εικόνες MRI περισσότερων από 7.000 τομών εγκεφάλου.
Και το 2017, επισημάναμε το έργο Human Cell Atlas, το οποίο στοχεύει να κατηγοριοποιήσει όλα τα κύτταρα του ανθρώπινου σώματος, ως πρωτοποριακή τεχνολογία . Αυτό το έργο είναι ακόμη σε εξέλιξη.
(photo: pixabay)