Атлас нейронов мозга может улучшить исследования нейропсихиатрических состояний Мы уже там?

Атлас мозговых нейронов может значительно улучшить исследования нейропсихиатрических состояний. Мы уже там?

фото белой нити, соединяющей контакты, символизирующее нейронные связиПоделиться в Pinterest
Тщательная «карта» клеток головного мозга может изменить наше понимание нейропсихиатрических состояний. Приписывается фото: Марти Санс/Стокси.
  • В результате совместного исследования, ведущегося Университетом Калифорнии в Сан-Диего, ученые изучили более 1 миллиона клеток головного мозга человека, чтобы составить подробные карты генных регуляторов, специфичных для разных типов клеток головного мозга.
  • Это исследование не только демонстрирует сложные связи между различными категориями клеток и распространенными нейропсихиатрическими расстройствами, но и является пионерским применением искусственного интеллекта для прогнозирования влияния высокорисковых генетических изменений в этих клетках, что потенциально открывает пути для понимания развития болезней.
  • Это исследование является важной частью революционной программы Института национального здравоохранения по изучению мозга (BRAIN Initiative), запущенной в 2014 году, которая стремится изменить наше понимание млекопитающего мозга путем продвижения инновационных нейротехнологий для классификации различных типов нейронных клеток.

Новое исследование, опубликованное в специальном выпуске Science, подчеркивает связи между определенными типами клеток и различными распространенными нейропсихиатрическими состояниями.

В головном мозге человека каждая клетка обладает одинаковой последовательностью ДНК, но различные типы клеток используют различные гены в разных количествах.

Это разнообразие приводит к образованию множества типов клеток головного мозга и увеличивает сложность нейронных сетей.

Получение информации о молекулярных различиях между этими типами клеток необходимо для понимания работы мозга и разработки инновационных методов борьбы с нейропсихиатрическими расстройствами, такими как шизофрения, биполярное расстройство, болезнь Альцгеймера и крупная депрессия.

Человеческий мозг неравномерен, это сложная система

Человеческий мозг не является однородным. Он состоит из невероятно сложной системы нейронов и ненейронных клеток, каждая из которых выполняет свою уникальную функцию.

Составление всеобъемлющей карты этих различных типов клеток головного мозга и расшифровка их совместной работы в конечном итоге приведут к выявлению новых методов лечения, которые будут специально направлены на соответствующие типы клеток, связанные с конкретными заболеваниями.

Четыре эксперта, не участвовавших в этом исследовании, рассказали Medical News Today о его результатах.

Доктор Райан С. Султан, профессор клинической психиатрии в отделе психиатрии Колумбийского университета Ирвинг Медикал Центра и Нью-Йоркского психиатрического института, отметил, что данное исследование “рассматривает важную тему в области нейронауки и генетики”.

Доктор Султан поясняет, что “исследование обширное и охватывает анализ доступности хроматина в 1,1 миллионах клеток из разных областей головного мозга”.

Ученые обнаружили 107 уникальных подкатегорий клеток головного мозга и установили связи между аспектами их молекулярных характеристик и различными нейропсихиатрическими расстройствами, такими как шизофрения, биполярное расстройство, болезнь Альцгеймера и крупная депрессия.

Модели машинного обучения прогнозируют изменения последовательности ДНК

В последующем исследователи разработали модели машинного обучения с целью прогнозировать, как конкретные изменения последовательности ДНК могут влиять на регуляцию генов и способствовать развитию заболеваний.

Хотя эти последние открытия дают значительные инсайты в человеческий мозг и его расстройства, ученые все еще находятся в процессе всестороннего картографирования мозга.

Др. Джеймс Джордано, профессор неврологии и биохимии Центра Пеллегрини при медицинском центре Университета Джорджтаун, прокомментировал особый выпуск журнала “Science”, опубликованный 13 октября 2023 года, посвященный исследованиям, основанным на Инициативе “Мозг”.

Он сказал, что “эти исследования, опубликованные в ряде статей в известных медицинских журналах, представляют первую всестороннюю карту молекулярных механизмов, врожденных определенным типам клеток в отдельных областях человеческого мозга.”

“Вместе эти исследования составляют “молекулярный атлас” узлов клеток, генотипически коррелирующих с экспрессией определенных структурных и функциональных фенотипов, которые могут быть связаны с рядом нейропсихиатрических состояний.”

– Др. Джеймс Джордано

Др. Консуело Уолсс-Бэсс, профессор психиатрии и поведенческих наук, директор программы психиатрической генетики в Государственном медицинском центре Университета UTHealth Хьюстон, отметила, что “исследование человеческого мозга исторически было сложным из-за ограниченной возможности получения образцов человеческого мозга.”

“Однако в последнее время прогресс в геномных технологиях, совмещенный с увеличением доступности послеумертвенной мозговой ткани, способствовал созданию многоуровневых омических данных, включая эпигеномику, транскриптомику, протеомику в человеческом мозге”, – добавила она.

“Это является ключевым примером достижений в технологии, описывающем, как теперь стало возможно идентифицировать на уровне отдельной клетки ДНК-регионы, которые участвуют в контроле экспрессии генов (активация или подавление генов). До сих пор отсутствовала технология, позволяющая разрешить такой уровень знаний на уровне отдельной клетки.”

– Др. Консуело Уолсс-Бэсс

Будущее обещает, но требуется больше исследований

Однако, по словам Др. Стефана Иванту, консультанта-психиатра в ADHD Specialist, исследователям предстоит еще долгий путь, прежде чем составить настоящий “Атлас клеток мозга”.

“По моему мнению”, – сказал он нам, “анализ 1 миллиона клеток считается небольшой выборкой, учитывая сложность человеческого мозга. Очень мало людей знает, что в человеческом мозге около 86 миллиардов клеток, которые постоянно взаимодействуют друг с другом.”

“То, что делает это еще сложнее, это взаимодействие между клетками, которое является намного более сложным”, – добавил он. “Однако, с использованием более мощных инструментов для визуализации и искусственного интеллекта, мы, возможно, сможем понять закономерности, связанные с конкретными состояниями”.

По мнению д-ра Иванту, “более обещающей является область квантовых вычислений, которая, в сочетании с последними достижениями в области искусственного интеллекта, может быть более эффективной в понимании человеческого мозга”.

Тем не менее, он отметил, что “это чрезвычайно обнадеживает, что исследователи используют все больше технологий для следующих этапов понимания человеческого мозга, и я верю, что это правильный подход”.

Др. Уолсс-Бэсс указала, что исследователи “идентифицировали области генома в отдельных мозговых клетках, которые определяют, будет ли ген выражаться, то есть преобразовываться в РНК, а затем в белок для выполнения конкретных функций”.

“Об этом, авторы могли соотнести гены, которые ранее были связаны со шизофренией и другими психическими расстройствами, с областями в ДНК, где регулируется экспрессия этих генов”, – пояснила она.

“Понимание того, как регулируется экспрессия генов в конкретных типах клеток в мозге, является значительным прорывом, который поможет раскрыть нейробиологические механизмы психических расстройств и может привести к разработке новых терапий для их лечения.”

– Др. Консуело Уолсс-Бэсс

Значительные последствия для будущих пациентов

Др. Султан объяснил, что эти “исследования имеют значительные последствия для пациентов и общества”.

“Они продвигают наше понимание генетических основ нейропсихиатрических расстройств, потенциально открывая путь к более целевому лечению и прецизионной медицине в нейропсихиатрии”, – пояснил Др. Султан.

Доктор Иванту подчеркнул, что «в короткой перспективе последствия для пациентов и общественности будут ограничены. Требуется несколько лет, пока тест пройдет фазу исследований и соберет достаточные доказательства для внедрения в клиническую практику».

«Однако», отметил он, «в долгосрочной перспективе мы, возможно, сможем понять происхождение determineteческих нейропсихиатрических расстройств и даже больше!»

«Если технология будет эффективной, это не только будет играть роль в лечении состояний, но и, что еще более волнующе, в их предупреждении. Наконец, самое важное в этом исследовании – это дать пример и побудить исследовательское сообщество использовать искусственный интеллект и технологии в своих проектах», объяснил доктор Иванту.

Доктор Иванту согласился, заключив, что «будущее выглядит многообещающе».