Благодаря пятилетнему гранту в размере 126 миллионов долларов от Национального института здравоохранения (NIH) группа ученых во главе с учеными Института Солка запустила новый Центр мультиомного атласа клеток головного мозга человека. Этот проект, являющийся частью инициативы NIH Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies® ( BRAIN), направлен на описание клеток, составляющих человеческий мозг, с беспрецедентной молекулярной детализацией, классификацию клеток мозга на более точные подтипы и точное определение местоположения каждой клетки в мозг. Более того, команда будет отслеживать, как эти функции меняются от раннего к позднему периоду жизни.

Цель состоит в том, чтобы лучше понять, как нейротипичный человеческий мозг работает и стареет. Проект также установит базовый уровень, по которому ученые смогут сравнивать мозг с неврологическими или психиатрическими состояниями, такими как болезнь Альцгеймера, аутизм, депрессия и черепно-мозговая травма.

Карта мозга, которую мы разрабатываем, может помочь исследователям болезней выбрать правильное направление; например, мы могли бы сказать, что это область генома, в этом конкретном подмножестве нейронов, в той части мозга, где молекулярное событие идет не так, как надо. вызвать эту болезнь. И, в конечном счете, эта информация может помочь нам разработать генную терапию, нацеленную только на те клеточные популяции, где это необходимо, — доставляя нужные гены в нужное место в нужное время».

Джозеф Экер, руководитель центра, профессор, директор лаборатории геномного анализа Солка и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза

Помимо Экера, в состав Центра мультиомного атласа клеток мозга человека входят Маргарита Беренс, профессор-исследователь из Солка, Бинг Рен из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Сянмин Сюй из Калифорнийского университета в Ирвине и Тинг Ван из Вашингтонского университета в Сент-Луисе.

Солку будет выделено около 77 миллионов долларов финансирования центра, что станет крупнейшим грантом, полученным Институтом за его 62-летнюю историю.

Начало

Центр мультиомного атласа клеток головного мозга человека, входящий в новую сеть атласов клеток инициативы BRAIN Национального института здравоохранения, основан на пятилетней работе по составлению карты мозга мыши, проекте, который был известен как сеть переписи клеток инициативы BRAIN. В специальном выпуске журнала Nature , опубликованном в октябре 2021 года, описаны результаты этих усилий, в том числе то, как различные типы клеток организованы и связаны в мозге мыши.

«Подобно тому, как мы узнали о космических путешествиях из коротких полетов на Луну, проект по картированию мозга мышей многому научил нас о том, как приблизиться к гораздо большему мозгу, и о типах геномной информации, которые нам потребуются, чтобы действительно картировать. человеческого мозга», — говорит Беренс. «Этот проект — пример того, насколько плодотворной может быть командная работа в науке — проекты такого типа невозможно реализовать в одной лаборатории».

Картирование человеческого мозга

Optimum Nutrition, Opti-Men, 150 таблеток

В Центре мультиомного атласа клеток головного мозга исследователи изучат 1500 образцов головного мозга (30 человеческих мозгов разного возраста, по 50 областей в каждом). Центр занимается в основном эпигенетикой — молекулярными событиями, влияющими на то, включаются ли гены или «выключаются» в данном типе клеток или в определенное время, — а не генетическими последовательностями каждой клетки. Центр также будет учитывать, какие клетки где живут. Местоположение важно, потому что клетки разговаривают друг с другом, говорит Экер.

Члены команды Калифорнийского университета в Ирвайне в первую очередь будут управлять получением образцов мозга. Ученые Солка будут изолировать каждое ядро ​​от каждой отдельной клетки в каждой области и записывать молекулярные детали, такие как архитектура хроматина и метилирование ДНК (то есть трехмерную структуру хромосом и то, как они модифицируются с помощью химических меток). В Калифорнийском университете в Сан-Диего, в лаборатории Рена. рассмотрит модификации хроматина и экспрессию генов.

«По сути, мы хотим взять миллионы, даже сотни миллионов клеток мозга, узнать все, что возможно, об их эпигенетике и о том, как устроен их хроматин, и спроецировать их в пространственном контексте, чтобы мы могли увидеть, где живут эти клетки, и понять, как все клетки в любой области мозга организованы и в любом возрасте», — говорит Экер, который также является председателем Международного совета Солка по генетике.

«На данный момент у нас почти нет таких данных для человеческого мозга».

Технологии и данные

Как правило, когда исследователи изучают одну клетку, она удаляется из остальной части мозга, что ограничивает выводы, которые можно сделать. Чтобы преодолеть это, команда Экера будет использовать более новую технику, называемую пространственной транскриптомикой, чтобы различать клетки по их генетическим данным и использовать эту информацию для сопоставления клеток с их исходными местоположениями.

Многие из других методов, которые будет применять команда, были разработаны самими исследователями. Например, команда Экера потратила пять лет на разработку snmCATseq, технологии, которая одновременно анализирует ДНК, РНК и открытый хроматин из одной клетки.

По оценкам Экера, только его лаборатория будет генерировать 11 петабайт необработанных данных в ходе проекта, что эквивалентно 171 875 флэш-накопителям (по 64 ГБ каждый), что подчеркивает опыт и ресурсы центра в области вычислительной биологии, хранения и анализа данных. Члены команды Вашингтонского университета будут отвечать за управление данными и их интеграцию.

«С объявлением наград BICAN мы совершаем захватывающий переход в общей программе переписи клеток Инициативы BRAIN, которая началась в 2014 году», — сказал Джон Нгай, директор Инициативы NIH BRAIN. «Эти награды позволят исследователям исследовать многогранные характеристики более чем 200 миллиардов нейронов и ненейронных клеток в человеческом мозге с беспрецедентной детализацией и масштабом — подвиг в области передовых технологий и межгруппового исследовательского сотрудничества, который откроет новые парадигмы. для понимания того, как патологические изменения в определенных группах клеток головного мозга могут вызывать неврологические и нейропсихиатрические расстройства».