Представлены первые результаты работы над клеточным атласом развития мозга

Коллаборация американских исследователей BICAN при участии специалистов из других стран представила первые результаты работы над клеточным атласом развития мозга мыши, макаки и человека от эмбрионального периода до взрослого возраста. Посвященные этому 12 научных статей, их обобщенный обзор и редакционные материалы собраны в коллекцию журнала Nature.

За человеческую способность перерабатывать воспринимаемую информацию в сложные эмоции, решения и поведенческие реакции отвечает большое многообразие типов клеток в мозге. Формирование этих клеток, их соединений и функций начинается в ходе внутриутробного развития и продолжается в детском и подростковом периоде, который у людей занимает относительно больше времени, чем у других млекопитающих. Такой длительный процесс повышает вероятность накопления генетических мутаций, негативно сказывающихся на формировании нервных связей, что может приводить к нарушениям нейроразвития, таким как расстройства аутистического спектра, синдром дефицита внимания и шизофрения. Для фундаментального понимания нормального функционирования мозга и механизмов развития этих заболеваний необходимо понимать молекулярную динамику, лежащую в основе спецификации нервных клеток в процессе развития мозга.

Долгое время подобный анализ считался невозможным, однако современные молекулярные, генетические и машинные методы позволили приступить к его реализации. В 2022 году в рамках инициативы BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies, Изучение мозга путем совершенствования инновационных нейротехнологий) Национальных институтов здоровья США был запущен проект BICAN (от BRAIN Initiative Cell Atlas Network, Сеть по созданию клеточного атласа инициативы BRAIN) по созданию клеточного атласа мозга различных видов млекопитающих в процессе развития. Комбинация подходов транскриптомики одиночных клеток, эпигеномики и пространственной геномики в его рамках уже позволила идентифицировать в мозге взрослой мыши и взрослого человека более пяти тысяч различных типов клеток.

Сейчас Томаш Новаковски (Tomasz Nowakowski) из Калифорнийского университета в Сан-Франциско с коллегами представили первые результаты применения этих подходов к изучению пространственного и временного развития клеток мозга — нейронов и глии — и связей между ними у мыши, макаки и человека. Отслеживание траекторий развития более 770 тысяч возбуждающих глутаматергических, тормозных ГАМК-ергических и глиальных клеток зрительной коры мыши показало, что разнообразие этих клеток резко увеличивается в послеродовом периоде. Масштабное картирование 10,3 миллиона клеток мышиной коры in situ методом BARseq продемонстрировало, что на их регионспецифичную организацию влияют изменения поступающей сенсорной информации в процессе развития.

В ходе транскриптомного и пространственного анализа тормозных неронов конечного мозга выяснилось, что длительность их развития сильно различается в зависимости от области (дольше всего в коре) и в этом процессе клетки могут мигрировать на значительные расстояния, причем развитие преоптических нейронов гипоталамуса, отвечающих за гомеостаз организма и социальные взаимодействия, начинает идти разными путями уже на ранних этапах нейроразвития, но продолжается и в послеродовом периоде. Дополнительный анализ линий клонального развития почти 6,5 тысячи прогениторных клеток человеческой коры показал, что в середине гестации происходит переключение с глутаматергического на ГАМК-ергический нейрогенез (то есть начинают интенсивно развиваться тормозные нейрональные сети), а радиальная глия надолго сохраняет глутаматергический потенциал, что может играть роль в нарушениях нейроразвития.

Межвидовое сопоставление клеточного развития мозга показало, что большинство классов ГАМК-ергических нейронов у млекопитающих общие, но экспрессирующие тахикинин-3 (TAC3) клетки появляются только у приматов, а у людей есть промежуточный трипотентный тип корковых прогениторных клеток, которые могут давать начало возбуждающим и тормозным нейронам, а также глии. Кроме того, были представлены работы, посвященные доступности хроматина на ранних этапах человеческого нейроразвития; факторам транскрипции, отвечающим за спецификацию клеток человеческой коры; координации динамики аксоногенеза, миелинизации нервных волокон и глиального ответа у новорожденных мышей, а также трехмерным траекториям клеточного развития мозга мыши до и после рождения.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что современный анализ генетических, молекулярных и клеточных характеристик развивающегося мозга может выявить новые закономерности и механизмы нейроразвития. Построенные с его помощью атласы могут помочь в моделировании, прогнозировании и механистическом изучении нарушений нейроразвития и разработке методов их лечения. Работы по созданию таких атласов в рамках BICAN продолжаются.

Различные научные группы активно используют молекулярные, генетические и машинные методы исследований для создания атласов различных биологических структур. В их числе трехмерные атласы мозга взрослой мыши и развития мышиного мозга, интерактивный атлас иммунной системы, 3D-реконструкция внутрисердечной нервной системы крысы, мультиомный атлас мозга шести видов приматов, полный коннектом взрослой дрозофилы и первые результаты работы над полным атласом клеток человека.