In einer großen Gemeinschaftsarbeit haben Forscher der University of California San Diego Genschalter in verschiedenen Arten von Gehirnzellen kartiert, indem sie mehr als eine Million menschliche Gehirnzellen analysiert haben. Diese Studie, Teil der BRAIN-Initiative, beleuchtet den Zusammenhang zwischen bestimmten Zelltypen und neuropsychiatrischen Erkrankungen. Sie nutzten auch künstliche Intelligenz, um die Auswirkungen bestimmter Genvarianten mit hohem Risiko vorherzusagen.
Forscher kartieren Schlüsselgene und Gehirnzelltypen, die mit Schizophrenie, bipolarer Störung, Alzheimer-Erkrankung Krankheit und schwere Depression.
In einer großen, institutsübergreifenden Initiative unter der Leitung der University of California San Diego (UCSD) analysierten Forscher mehr als eine Million menschliche Gehirnzellen, um detaillierte Karten der Genumschaltung in Gehirnzelltypen zu erstellen und so die Zusammenhänge zwischen bestimmten Zelltypen aufzudecken. Und verschiedene häufige neuropsychiatrische Erkrankungen. Das Team entwickelte außerdem Werkzeuge der künstlichen Intelligenz, um die Auswirkungen einzelner Hochrisiko-Genvarianten auf diese Zellen vorherzusagen und wie sie zur Krankheit beitragen könnten.
„Das menschliche Gehirn ist nicht homogen. Es gleicht eher einem Mosaik verschiedener Zelltypen, die unterschiedlich aussehen und unterschiedliche Funktionen erfüllen. Die verschiedenen Zelltypen im Gehirn zu identifizieren und zu verstehen, wie sie funktionieren, wird uns letztendlich dabei helfen, neue Behandlungsmethoden zu entdecken, die gezielt wirken können.“ einzelne Zelltypen, die für bestimmte Krankheiten relevant sind. — Ping Ren, Ph.D
Die BRAIN-Initiative und ihr Ziel
Diese bahnbrechende Forschung wurde in einer Sonderausgabe der Zeitschrift vorgestellt Wissenschaften am 13. Oktober 2023 ist Teil der Gehirnforschung der National Institutes of Health im Rahmen der Advanced Innovative Neurotechnologies Initiative oder BRAIN Initiative, die 2014 ins Leben gerufen wurde. Die Initiative zielt darauf ab, das Verständnis des Gehirns von Säugetieren teilweise durch die Entwicklung neuer Technologien zu revolutionieren Technologien. Neurotechniken zur Charakterisierung neuronaler Zelltypen.
Zellulare Unterschiede verstehen
Jede Zelle im menschlichen Gehirn enthält die gleiche Sequenz DNAAber verschiedene Zelltypen nutzen unterschiedliche Gene in unterschiedlichem Umfang. Diese Variation produziert viele verschiedene Arten von Gehirnzellen und trägt zur Komplexität neuronaler Schaltkreise bei. Zu lernen, wie sich diese Zelltypen auf molekularer Ebene unterscheiden, ist entscheidend für das Verständnis der Funktionsweise des Gehirns und die Entwicklung neuer Wege zur Behandlung neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen.
Komplexität des menschlichen Gehirns
„Das menschliche Gehirn ist nicht homogen“, sagte der leitende Forscher Ping Ren, Ph.D., Professor an der UC San Diego School of Medicine. „Sie bestehen aus einem sehr komplexen Netzwerk von Neuronen und nicht-neuronalen Zellen, von denen jede unterschiedliche Funktionen erfüllt. Die Identifizierung der verschiedenen Zelltypen im Gehirn und das Verständnis ihrer Zusammenarbeit werden uns letztendlich dabei helfen, neue zielgerichtete Behandlungen zu entdecken.“ einzelne Zelltypen, die für bestimmte Krankheiten relevant sind.“
Hauptergebnisse der Studie
In der neuen Studie analysierte das Forscherteam mehr als 1,1 Millionen Gehirnzellen in 42 verschiedenen Gehirnregionen von drei menschlichen Gehirnen. Sie identifizierten 107 verschiedene Subtypen von Gehirnzellen und konnten Aspekte ihrer Molekularbiologie mit einer Vielzahl neuropsychiatrischer Erkrankungen in Verbindung bringen, darunter Schizophrenie, bipolare Störung, Alzheimer-Krankheit und schwere Depression. Anschließend verwenden Forscher diese Daten, um Modelle für maschinelles Lernen zu erstellen, um vorherzusagen, wie sich bestimmte Sequenzvariationen in der DNA auf die Genregulation auswirken und zur Krankheit beitragen.
Fortsetzung der Forschung und zukünftige Bemühungen
Obwohl diese neuen Erkenntnisse wichtige Einblicke in das menschliche Gehirn und seine Krankheiten liefern, sind Wissenschaftler von der Kartierung des Gehirns noch weit entfernt. Im Jahr 2022 gründete die UC San Diego zusammen mit dem Salk Institute und anderen das Center for the Polygonal Human Brain Cell Atlas, dessen Ziel es ist, Zellen aus mehr als einem Dutzend menschlicher Gehirne zu untersuchen und Fragen dazu zu stellen, wie sich das Gehirn im Verlauf der Entwicklung verändert des Lebens von Menschen und mit Krankheit.
„Die Ausweitung unserer Arbeit auf eine größere Detailebene auf eine größere Anzahl von Gehirnen wird uns dem Verständnis der Biologie neuropsychiatrischer Störungen und der Frage, wie sie rehabilitiert werden können, einen Schritt näher bringen“, sagte Ren.
Referenz: „A Comparative Atlas of Single-Cellular Chromatin Accessibility in the Human Brain“ von Yang-Eric Li, Sebastian Pressel, Michael Miller, Nicholas D. Johnson, Zihan Wang, Henry Jiao, Chenxu Zhou, Zhauning Wang, Yang Xie, Olivier Poirion, Colin Kern, Antonio Pinto-Duarte, Wei Tian, Kimberly Seletti, Nora Emerson, Julia Austin, Jacinta Lucero, Lin Lin, Qian Yang , Quan Chu, Nathan Zemke, Sarah Espinoza, Anna Marie Yanni, Julie Niehus, Nick D., Tamara Kasper, Nadia Shapovalova, Danielle Hirschstein, Rebecca D. Hodge, Sten Lennarsson, Trygve Bakken, Boaz Levy, C. Dirk Keen, Jingbo Zhang, Ed Lin, Allen Wang, M. Margarita Behrens, Joseph R. Eker, Ping Ren, 13 Jahre alt, Oktober 2023, Wissenschaften.
doi: 10.1126/science.adf7044
Co-Autoren der Studie sind: Yang Eric Li, Sebastian Pressel, Michael Miller, Zihan Wang, Henry Jiao, Chenxu Zhu, Zhaoning Wang, Yang Espinoza, Jingbo Zhang und Allen Wang von der University of California, San Diego, und Nicholas D. Johnson Antonio Pinto Duarte, Wei Tian Nora Emerson, Julia Austin, Jacinta Lucero, M. Margareta Burns und Joseph R. Ecker am Salk Institute for Biological Studies. Kimberly Sillett und Steen Lennarsson am Karolinxa Institute Annamarie Janni, Julie Nyhus, Nick Dee, Tamara Kasper, Nadja Shapovalova, Daniel Hirschstein und Rebecca D. Hodge Trygve Bakken, Boaz Levy und Ed Lin am Allen Institute for Brain Science und C. Dirk Kane V Universität von Washington Seattle.
Die Studie wurde bereits zuvor gefördert Nationales Gesundheitsinstitut (Zuschüsse UM1MH130994, U01MH114812, U54HG012510 und S10 OD026929), National Science Foundation (Zuschuss OIA-2040727); und das Nancy and Buster Alford Endowment, die Life Sciences Research Foundation, sowie Schenkungen von Google, Adobe und Teradata.
