Volledige cellulaire kaart van de hersenen van zoogdieren

Een baanbrekende celatlas die het volledige muizenbrein in kaart brengt en meer dan 32 miljoen cellen beschrijft, maakt de weg vrij voor een dieper begrip van het menselijk brein en de ontwikkeling van precieze behandelingen voor hersenaandoeningen.

Voor de eerste keer ooit heeft een internationaal team van onderzoekers een complete celatlas van het gehele brein van zoogdieren gemaakt. Deze atlas dient als kaart van het muizenbrein en beschrijft het type, de locatie en de moleculaire informatie van ruim 32 miljoen cellen en geeft informatie over de communicatie tussen deze cellen. De muis is het meest gebruikte experimentele model bij gewervelde dieren in neurowetenschappelijk onderzoek, en deze cellulaire kaart baant de weg voor een beter begrip van het menselijk brein – misschien wel de krachtigste computer ter wereld. De Celatlas legt tevens de basis voor de ontwikkeling van een nieuwe generatie precisietherapieën voor mensen met psychische en neurologische hersenaandoeningen.

De resultaten zijn gefinancierd door Nationale gezondheidsinstituten Hersenonderzoek door de ontwikkeling van innovatieve neurotechnologieën® InitiatiefOf het BRAIN® Initiative, en verschijnt in een verzameling van 10 onderzoeksartikelen gepubliceerd in natuur.

Joshua A. zei: “De muizenatlas heeft als nooit tevoren licht geworpen op het complexe netwerk van hersencellen van zoogdieren, waardoor onderzoekers de details krijgen die nodig zijn om de functie en ziekte van het menselijk brein te begrijpen”, zegt dr. Gordon, M.D., directeur van het National Institute of Psychiatry. Geestelijke gezondheid is daar een onderdeel van Nationale gezondheidsinstituten.

Gedetailleerde mapping van de muizenhersenen

De celatlas beschrijft de celtypen in elke regio van de muizenhersenen en hun organisatie binnen die regio’s. Naast deze structurele informatie biedt de Cell Atlas een ongelooflijk gedetailleerde catalogus van het transcriptoom van een cel: de complete set genuitlezingen van de cel, die instructies bevatten voor het maken van eiwitten en andere cellulaire producten. De transcriptomische informatie in de atlas is hiërarchisch georganiseerd, waarbij celklassen, subklassen en duizenden individuele celgroepen in de hersenen gedetailleerd worden beschreven.

De atlas beschrijft ook het celgenoom, dat wil zeggen de chemische modificaties van de cel DNA Chromosomen veranderen de manier waarop de genetische informatie van een cel tot expressie wordt gebracht, waarbij duizenden epigenomische celtypen en miljoenen kandidaat-genregulerende elementen voor verschillende soorten hersencellen worden beschreven.

Ruimtelijke verdeling van diverse celtypen in de hersenen van muizen. Hier werd MERFISH gebruikt om 500 genen in de hersenen van muizen te meten om de complexe verdeling van celtypen door de hersenen te onthullen. Bron afbeelding: Yao/van Velthoven/Zeng, Allen Instituut

Samen bieden de structurele, transcriptomische en genetische informatie in deze atlas een ongekende kaart van de cellulaire organisatie en diversiteit in het muizenbrein. De atlas geeft ook een overzicht van de neurotransmitters en neuropeptiden die door verschillende cellen worden gebruikt en de relatie tussen celtypen in de hersenen. Deze informatie kan worden gebruikt als een schets van hoe chemische signalen in verschillende delen van de hersenen worden geïnitieerd en verzonden. Deze elektrische signalen vormen de basis voor hoe hersencircuits werken en hoe de hersenen in het algemeen werken.

Het leiden van samenwerkingsinspanningen en toekomstige richtingen

“Dit product is een bewijs van de kracht van deze ongekende en alomvattende samenwerking en baant onze weg naar preciezere hersentherapieën”, zegt John Ngai, Ph.D., directeur van het NIH BRAIN Initiative.

Van de tien onderzoeken in deze collectie worden er zeven gefinancierd via het NIH BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN), en twee worden gefinancierd via het grotere NIH BRAIN Initiative. Het primaire doel van BICCN, een baanbrekende gezamenlijke inspanning om de cellulaire samenstelling van de hersenen te begrijpen, is het ontwikkelen van een uitgebreide inventaris van cellen in de hersenen: waar ze zich bevinden, hoe ze zich ontwikkelen, hoe ze samenwerken en hoe ze functioneren. Het reguleren van hun activiteit – om beter te begrijpen hoe hersenaandoeningen zich ontwikkelen en vorderen, en hoe deze te behandelen.

“Door gebruik te maken van het unieke karakter van internationale, multidisciplinaire samenwerking heeft BICCN kunnen bereiken wat geen enkel ander team van wetenschappers eerder heeft kunnen bereiken”, aldus dr. Ngai. “We zijn nu klaar om de volgende grote stap te zetten, namelijk het voltooien van celkaarten van het menselijk brein en dat van niet-menselijke primaten.”

Het BRAIN Initiative Cell Atlas Network (BICAN) is de volgende fase in de inspanningen van het NIH BRAIN Initiative om de cellen en cellulaire functies van de hersenen van zoogdieren te begrijpen. BICAN is een transformatief project dat, samen met twee andere grootschalige projecten – het BRAIN Initiative for Cross-Scale Communication and Precision Access to Brain Cells – tot doel heeft een revolutie teweeg te brengen in het neurowetenschappelijk onderzoek door fundamentele principes te belichten die de basis vormen van het gedragscircuit en nieuwe inzichten te verschaffen. benaderingen voor de behandeling van hersenaandoeningen.

Referentie: “Een transcriptomische en ruimtelijke atlas met hoge resolutie van celtypen in het gehele muizenbrein” door Zhizhen Yao, Cindy T. J. van Velthoven, Michael Kunst, Meng Zhang, Delissa McMillen, Changqiu Li, Wen Jong, Jeff Goldie, Alia Abdelhak, Matthew Aitken, Catherine Baker, Pamela Baker, Eliza Barkan, Darren Bertagnoli, Ashwin Bhandewad, Cameron Bilstein, Pragal Bishwakarma, Jazmin Campos, Danielle Curry, Tamara Kasper, Anish Bhaswanth Chaka, Rochelle Chakrabarti, Sakshi Chavan, Min Chen, Michael Clarke, Jenny Close, Kirsten Crichton, Scott Daniel, Peter Devalentine, Tim Dolbear, Lauren Ellingwood, Elisha Viapan, Timothy Fleiss, James Gee, James Gerstenberger, Alexandra Glandon, Jessica Glow, Joshua Gould, James Gray, Nathan Gilford, Johnita Guzman, Danielle Hirschstein, Wendy Ho, Marcus Hooper, Mike Huang, Maddy Hope, Kelly Jane, Matthew Kroll, Kanan Lathia, Ariel Lyon, Sue Lee, Brian Long, Zach Madigan, Jessica Malloy, Jocelyn Malone, Zoe Maltzer, Naomi Martin, Rachel McCue, Ryan McGinty . Nicolas Mei, José Melchor, Emma Merdericks, Tyler Mollenkopf, Skyler Monsmann, Toc Nghi Nguyen, Sven Otto, Trangthan Pham, Christine Remorin, Augustin Ruiz, Raymond Sanchez, Lynn Sawyer, Nadia Shapovalova, Noah Shepherd, Cliff Slotterbeck, Joseph Sulke, Michael Teo, Amy Torkelson, Herman Tong, Nasmil Valera Cuevas, Shane Vance, Katherine Wadhwani, Caitlin Ward, Boaz Levy, Colin Farrell, Rob Young, Brian Staats, Ming-Qiang Michael Wang, Carol L. Thompson, Shoaib Mufti, Chelsea M. Pagan, Lauren Cross, Nick D., Susan M. Sonkin, Luke Esposito, Michael J. Horelich, Jack Waters, Lydia Ng, Kimberly Smith, Puseljka Tasic, Xiao Zhuang en Hongkui Zeng, 13 december 2023, natuur.
doi: 10.1038/s41586-023-06812-z