Představte si, že sledujete mozek ne jako hotový orgán, ale jako město ve výstavbě, kde je každý neuron dělníkem, který mění zaměstnání, jak se panorama zvedá.
Řada papírů v Příroda zveřejněné 5. listopadu přesně to zachytilo. Vědci pod vedením vědců z Allen Institute for Brain Science v USA spolu s partnery z celé americké iniciativy BRAIN Initiative zmapovali, jak se tvoří, migrují a specializují hlavní buňky mozku – neurony a jejich podpůrné glie – napříč druhy od myši po člověka.
Namísto toho, aby zacházely s mozkem jako s pevným katalogem částí, nové mapy jej zobrazují jako živé kontinuum, časový úsek genetických vzorců, které se míhají a vypínají, jak buňky dozrávají, spojují se a budují sítě.
Tyto studie poprvé nabízejí jednotný pohled na vývoj mozku napříč časem a druhy. Předchozí úsilí bylo těžké srovnávat, protože laboratoře používaly různé metody, odebíraly vzorky z různých fází nebo se zaměřovaly na různé oblasti. Týmy BRAIN Initiative to vyřešily standardizací protokolů, vybudováním nových sekvenačních a zobrazovacích nástrojů a vytvořením sdílených výpočetních kanálů pro zarovnání dat z myší, kosmanů a lidských tkání. Společně nyní poskytují společný odkaz na to, jak se neurony a glie objevují a spojují do obvodů.
Hongkui Zeng, ředitel Allen Institute, to popsal jako zahájení „nové éry vývojové neurovědy“, která sjednocuje data napříč prostorem, časem a druhy. Šest koordinovaných studií nabízí to, co nazývá „společným odkazem“ na to, jak geny sestavují složité obvody mozku, průvodce, který pravděpodobně povede neurovědu v nadcházejících letech.
Kde staré mapy zaostávaly
Po desetiletí mozkové atlasy zacházely s neurony, jako by byly v pevných kategoriích. Nové soubory dat převrátily tento pohled tím, že ukázaly, že vyvíjející se buňky procházejí postupnými přechody se vzory genové aktivity, které se mění spíše krok za krokem než prudkými skoky.
V jednom z Dr. Zeng studiejejí tým zjistil, že jak myší mozek dozrával, mladé neurony procházely mezistupněmi, kde vykazovaly kombinaci rysů dřívějších i budoucích typů buněk.
„Hranice nejsou nikdy jasné,“ řekl Dr. Zeng.
Tomasz Nowakowski, docent na University of California, San Francisco, ukázal ve svém atlas lidské linie že vývoj lidského mozku se ubíral podobnou cestou. Sledováním potomků jednotlivých kmenových buněk v kultivované mozkové tkáni lidského plodu jeho tým zjistil, že radiální glie, buňky stavitele mozku, nejprve produkovaly neurony, které aktivují signály, a pak ty, které je utišují.
Tento postupný posun – který předchozí mapy s jedním časovým bodem neviděly – potvrdil, že neurony nezískávají svou dospělou identitu najednou.
Konkrétně tyto dvě studie společně ukázaly, že vyvíjející se neurony nemají jedinou stabilní identitu. Jejich genová aktivita se postupně posouvá, jak dospívají, procházejí spíše mezistupněmi, než aby přeskakovali z jednoho definovaného typu na druhý.
Cesty buněk
Dr. Nowakowski použil virové čárové kódování ke sledování buněčných linií v kultivované mozkové tkáni lidského plodu. Tato technika se opírá o neškodné viry, které označí každou kmenovou buňku jedinečnou genetickou značkou, což umožňuje výzkumníkům sledovat všechny její potomky.
Jeho tým pak použil sekvenování jednobuněčné RNA, aby změřil, které geny byly aktivní v každém vyvíjejícím se neuronu.
Tým také použil prostorové profilování k umístění těchto genových hodnot zpět do jejich přesných míst v tkáni, téměř jako návrat špendlíků na 3D mapu. Tyto metody společně vytvořily časově rozlišený záznam ukazující, jak se jednotlivé buňky rozdělovaly, diferencovaly a usazovaly do svých vývojových drah.
Každý z těchto kroků začal ukazovat, jak se z jedné buňky stane mnoho. Dr. Nowakowski řekl, že analýzy DNA z posmrtných lidských mozků ukázaly stejný vývojový posun, jaký jeho tým pozoroval v kultuře, což potvrzuje, že vzorek nebyl artefaktem laboratorního systému.
Výpočetní atlas Dr. Zenga přidal způsob, jak přesněji definovat vývojové přechody. Její tým použil algoritmy ke zjištění, kdy se profil genové aktivity neuronu změnil natolik, aby se kvalifikoval jako jiné buněčné stádium, a nahradil dřívější subjektivní úsudky kvantitativními kritérii.
Nakonec tým profesora Yale University Ronga Fana přidal chybějící dimenzi: místo. V jejich prostorový triomický atlasvýzkumníci měřili tři druhy molekulárních informací v tenkých, zachovaných řezech vyvíjející se mozkové tkáně: které geny byly aktivní, jak přístupná byla okolní DNA a jaké proteiny každá buňka produkovala. Potom spojili každé měření s přesným umístěním buňky v tkáni. To umožnilo vidět, kde se objevily různé molekulární vzory a jak se sousední buňky v průběhu času společně měnily.
Dohromady tyto přístupy umožnily výzkumníkům sledovat vývoj buněk v čase i prostoru, spíše než je zachycovat v izolovaných okamžicích.
Čtení nového atlasu
Společně tyto atlasy otevřely dveře k pochopení toho, jak miliardy individuálních buněčných rozhodnutí formují mimořádnou rozmanitost mozku.
Cindy van Velthovenová, vyšetřovatelka Allenova institutu, byla součástí myši studie která sledovala, jak se inhibiční neurony, buňky, které uklidňují nebo vyvažují mozkovou aktivitu, diverzifikují a migrují, když se tvoří přední mozek. Tým našel inhibiční linie, které se v různých dobách diverzifikovaly, některé se objevily později a byly distribuovány v několika regionech, což naznačuje, že role hrají pozdě.
V návaznosti na jeho práci lidský atlas Dr. Nowakowského vystopoval doplňkovou stránku tohoto obvodu: excitační neurony, které zvyšují nervovou aktivitu. Tyto dvě studie společně odhalují, jak se protichůdné systémy excitace a inhibice v mozku formují prostřednictvím nepřetržitých, překrývajících se drah genové exprese.
Zdá se, že stejné molekulární sítě mají také hluboké evoluční kořeny, což je myšlenka, kterou prozkoumal Alex Pollen, docent na University of California, San Francisco.
Postnatální myší mozkové prostorové multiomické mapy zvýrazňující zrání neuronů kortikální vrstvy a diferenciaci a myelinizaci oligodendrocytů. | Fotografický kredit: Di Zhang z Yale University; Zhang a kol., Nature (CC BY)
V a mezidruhová analýzaDr. Pollen a jeho kolegové porovnávali genovou aktivitu u savců a zjistili, že typ neuronu, který byl kdysi považován za jedinečný pro primáty, interneuron TAC3, který pomáhá regulovat emoce a hormonální signalizaci, je přítomen v mnoha liniích savců, i když se jeho množství a molekulární profil liší.
„Nejsilnější důkaz o společném původu pochází ze širokého pohledu, od vačnatců po primáty,“ řekl Dr. Pollen.
Všechna tato zjištění ukazují, že evoluce má tendenci spíše modifikovat stávající typy neuronů, než vytvářet zcela nové. U lidí jsou přítomny podobné vývojové dráhy, ale postupují po delší dobu, což buňkám poskytuje více času na diverzifikaci a vytvoření složitých okruhů.
U všech druhů je základní vzorec konzistentní: vývojové programy se znovu používají a upravují, nikoli nahrazují, aby se vytvořilo propojení mozku.
Dát to všechno dohromady
S jednotlivými atlasy na místě udělalo konsorcium poslední krok. V metaatlasu projekt Vedení Dr. Nowakowskim, Dr. Zengem a mentorkou školicího programu Aparnou Bhaduri na Kalifornské univerzitě v Los Angeles, výzkumníci srovnali vývojová data z mozku myší, kosmanů a lidí, aby vytvořili sdílenou referenci, která umožňuje srovnávat stavy buněk napříč druhy.
Dr. Zeng připustil, že „nedostatek mozkové tkáně, zejména lidských vzorků z klíčových fází vývoje, může být prozatím největším omezením“.
Řekla, že překonat takové mezery znamená neustále zlepšovat jak data, tak nástroje používané k jejich analýze: „Neměli bychom s taxonomiemi zacházet rigidně, ale pokračovat v jejich zdokonalování, jak získáme nové znalosti.“
Pro Dr. Bhaduri je cílem vybudovat sdílený zdroj, který může využívat celé pole.
„Mít tato referenční data je pro obor fantastická příležitost,“ řekla. „Umožní nám to mít společné genové podpisy, názvy buněk a analytické nástroje, abychom pokročili v oboru.“
Jejich projekt pojednává o mapování mozku jako o kolektivním, trvalém úsilí, nikoli jako o hotovém produktu. Jak řekl Dr. Zeng, cílem není dokončit mapu, ale zajistit, aby všichni používali stejné souřadnice.
Od map po medicínu
Pro neurovědce tyto mapy nabízejí jasnější pohled na to, jak raný vývoj nastavuje podmínky pro pozdější funkci mozku. Ukazují, kdy se klíčové genetické dráhy během těhotenství zapínají nebo vypínají a jak tyto posuny vedou buňky do konkrétních rolí.
Atlasy zdůrazňují období vývoje, ve kterých je mnoho genů spojených s neurovývojovými poruchami vysoce aktivních, což by mohlo výzkumníkům pomoci určit, kdy mají malá narušení s největší pravděpodobností dlouhodobé účinky. Předpokládá se, že stavy jako autismus nebo epilepsie zahrnují změny v časném vývojovém načasování spíše než poškození, ke kterému dochází později v životě.
Dr. Nowakowski řekl, že dalším krokem je otestovat, zda se vývojové změny, které jeho tým pozoroval, vyskytují i v jiných systémech. Subhumánní primáti, poznamenal, „mohou být nejbližší in-vivo model“, zatímco „organoidy jsou dalším vznikajícím modelem,“ a řekl, že se těší, až uvidí, zda se výsledky shodují.
Kromě genetiky a načasování ovlivňuje dozrávání buněk také okolní tkáňové prostředí. V prostorovém atlase, který připravil Fan a kolTým porovnal mapy aktivity genů a proteinů a zjistil, že buňky v oblastech se silnější vývojovou signalizací dozrály dříve, zatímco buňky v klidnějších oblastech se vyvíjely pomaleji. Když zkoumali poraněnou tkáň, mozek aktivoval vzorce genové aktivity podobné těm, které byly pozorovány během raného vývoje, což naznačuje sdílené mechanismy mezi růstem a opravou.
Vědci stále více věří, že mnoho neurologických stavů vzniká, když k vývojovým událostem dojde ve špatnou dobu nebo na nesprávném místě, jako jsou buňky, které dorazí příliš brzy, dozrávají příliš rychle nebo se usadí na neobvyklém místě. Nové atlasy usnadňují identifikaci těchto zranitelných období a poukazují na konkrétní fáze, ve kterých mohou mít malé poruchy dlouhodobé následky.
Práce ještě dopředu
Některé typy neuronů se objevují pouze krátce nebo pouze zapínají své definující geny ve specifických podmínkách, například po nedávné aktivitě nebo během určitých stavů chování. Dr. Van Velthoven řekl, že takové pomíjivé neurony nebo neurony specifické pro určitý stav „pravděpodobně zůstanou neviditelné“ v dnešních souborech dat.
Dr. Zeng souhlasil, že cesta ještě zdaleka nekončí: „Rozšíření naší práce na celý mozek, včetně kůry, vnější vrstvy mozku a hlubších subkortikálních oblastí, které koordinují pohyb a emoce, by bylo prvním krokem.“
„Potřebujeme více časových bodů a oblastí mozku, abychom vytvořili mnohem podrobnější rámec pro to, jak se mozek nakonec objeví,“ řekl Dr. Bhaduri.
Tyto mezery společně definují další kroky v oboru: širší oblasti mozku, více vývojových stádií a hustší odběr vzorků pro zachycení typů buněk, které současné metody postrádají.
Anirban Mukhopadhyay je vystudovaný genetik a vědecký komunikátor z Nového Dillí.
