Konečně máme mapu všech mozkových buněk

Jsme blíž než kdy jindy zmapování celého mozku na mikroskopickou úroveň. Stovky neurovědců z celého světa nedávno charakterizovaly více než 3 000 typů lidských mozkových buněk v rámci sítě BRAIN Initiative Cell Census National Institute of Health a publikovaly téměř dva tucty článků ve čtyřech Věda deníky dnes. Tato super-zaměřená pozornost na detail by mohla odhalit mnoho záhad obklopujících tento složitý orgán, jako například to, co se stalo v našem mozku, aby nás odlišilo od ostatních primátů.

„Toto je první rozsáhlý podrobný popis všech různých druhů buněk přítomných v lidském mozku,“ říká Rebecca Hodgeová, asistentka výzkumného pracovníka z Allen Institute v Seattlu, která je spoluautorem několika studií v papírovém balíčku. Doufá, že tento atlas mozku poskytne vědcům komunitní zdroj k prozkoumání toho, jak široká škála mozkových buněk přispívá ke zdraví a nemocem. Tato první sada studií ukazuje tři hlavní způsoby, jak lze mozkovou mapu použít pro biologii a medicínu.

Vyvíjející se mozek

Atlas lidského mozku nás může poučit o naší evoluční historii. Jedna studie zveřejněná dnes v Věda použili jednojaderné sekvenování RNA k měření genové exprese jednotlivých mozkových buněk u lidí a pěti dalších druhů primátů, včetně šimpanzů a goril. Při této metodě vědci vytáhnou jednotlivé buňky z kousku tkáně, rozbijí je, aby odhalili genetické posly uvnitř, a pak k identifikaci tohoto materiálu používají značky podobné malým čárovým kódům. „Toto je hlavní technologie použitá v některých z těchto dokumentů, které vycházejí, a je to technika, která existuje teprve posledních 10 let,“ říká Hodge. Získání tohoto genetického profilu umožňuje výzkumníkům seskupit shluky buněk do konkrétních typů.

Složení a organizace našich buněk je podobná jako u našich blízkých příbuzných. Zdá se však, že největší rozdíly se vyskytují v oblasti mozku zvané střední temporální gyrus, která se podílí na zpracování sémantické paměti a jazyka. Lidé měli v této oblasti vyšší počet vyčnívajících neuronů ve srovnání s jinými druhy. A co víc, vědci zdůraznili rozdíl v genové expresi, která podporovala synaptickou plasticitu, což je schopnost neuronů posilovat mozková spojení. Tato funkce je důležitou složkou pro učení a paměť a může vysvětlovat, jak si lidé vyvinuli komplexní kognitivní dovednosti.

I mezi lidmi existovaly určité rozdíly. Další studie zjistila největší rozdíly mezi lidmi v imunitních buňkách zvaných mikroglie a také v hlubokých vrstvách excitačních neuronů, které se podílejí na komunikaci mezi vzdálenými oblastmi mozku. Výzkumníci si nejsou zcela jisti proč – jedna z teorií říká, že excitační neurony hlubokých vrstev se vyvíjejí dříve a jsou více vystaveny faktorům prostředí, které by mohly diverzifikovat jejich genové vzorce. „Mozek každého je do značné míry podobný.“ I když máme stejné stavební kameny, záleží na malém počtu rozdílů,“ říká Jeremy Miller, vedoucí vědec z Allenova institutu a spoluautor studie. „Nyní začínáme chápat, jak důležité jsou tyto změny, a zjišťujeme, co nás dělá jedinečnými lidmi.“

zvířecí modely

Protože lidský mozek sdílí mnoho rysů s jinými savci, neurologové často používají malé mozky myší ke studiu nemocí. Jediným problémem, říká Miller, je to, že u myší se přirozeně nevyvíjejí neurodegenerativní choroby běžné u lidí. Vědci, kteří chtějí studovat například Alzheimerovu chorobu, by museli manipulovat s více geny myší, aby způsobili patologii mozku, kterou pozorujeme u starších lidí. To vyžaduje komplexní pochopení toho, jak typy buněk v mozku spolupracují a jak se mění v kontextu onemocnění.

Velká část výzkumu mozku u myší se zaměřuje na neokortex, který je zodpovědný za vyšší kognitivní funkce. Mohlo by se zdát rozumné předpokládat, že velká část buněčné složitosti mozku je zde. Ale zdá se, že tomu tak není. V jedné z prvních studií, která vytvořila buněčnou mapu celého dospělého mozku, našli neurovědci vysokou úroveň rozmanitosti ve starších evolučních strukturách, jako je střední mozek, který se podílí na pohybu, vidění a sluchu, a zadní mozek, který řídí životně důležité tělesné funkce, jako je dýchání a srdeční frekvence. V subkortikálních oblastech se také zdá, že existuje supershluk buněk nazývaný rozstřikovací neurony, které kontrolují vrozené chování a fyziologické funkce. Replikace složitosti těchto konkrétních oblastí mozku na zvířecích modelech by mohla pomoci lépe identifikovat buněčný původ lidských nemocí.

Personalizovaná medicína

Představte si budoucnost, kde bude léčba přizpůsobena konkrétním potřebám někoho. K tomu by vědci k informování o jakýchkoli lékařských rozhodnutích použili spíše genetický profil osoby než charakteristiky, jako je váha nebo věk. Kliničtí lékaři by také mohli použít tyto genetické informace k identifikaci rizik potenciálních onemocnění a poskytnout včasná preventivní opatření.

Lékaři již využívají genetické informace lidí k posouzení, zda by pacienti byli dobrými kandidáty na konkrétní léčbu rakoviny, nebo k nalezení správného dávkování léku. To může brzy zahrnovat testování neurologických stavů. Jedna studie, která analyzovala 1,1 milionu buněk ve 42 oblastech mozku neurotypických dospělých, identifikovala specifické typy neuronových buněk – hlavně v bazálních gangliích, oblasti podílející se na návykovém chování –, které byly spojeny s 19 neuropsychiatrickými poruchami a rysy. Tyto stavy zahrnovaly schizofrenii a bipolární poruchu, stejně jako poruchu užívání alkoholu a tabáku.

Tento projekt je krokem správným směrem pro pokrok ve výzkumu v personalizované medicíně, říká Miller, i když varuje, že je to jen jeden z mnoha, aby se to stalo realitou pro všechny.

Miller a Hodge jsou optimističtí, že v příštích pěti letech budou dokončeny další verze atlasu lidského mozku, protože podobné projekty uzavírají další skupiny.

Ale je tu možnost, že nikdy nezískáme úplný obrázek. Zatímco Miller považuje časový rámec půl desetiletí za rozumný, říká, že vždy existuje šance, že věda vyvine novou technologii, která by mohla odhalit něco neočekávaného o mozku. „Vždy můžeme udělat víc,“ říká.