Wetenschappers beginnen met het samenstellen van een onderdelenlijst voor de hersenen

Wetenschappers beginnen met het samenstellen van een onderdelenlijst voor de hersenen
5 (99.17%) 24 votes


Ongeveer vijf jaar geleden werd vooraanstaande neurowetenschapper Eric Kandel van Columbia University door een radio-interviewer gevraagd welke mysteries er nog over de hersenen waren. "Bijna alles," antwoordde Kandel. Een dergelijke verklaring doet niets af aan de aanzienlijke vooruitgang die de neurowetenschap heeft geboekt in de meer dan een eeuw sinds de Italiaanse arts Camillo Golgi en de Spaanse anatomist Santiago Ramón y Cajal maakte de eerste tekeningen van neuronen. Maar mensen zoals Kandel blijven bescheiden. Ze weten dat elke keer dat neurowetenschappers de resolutie verhogen waarmee ze in de hersenen turen, ze nieuwe, onvoorstelbare niveaus van complexiteit ontdekken.

Een door onderzoekers van het Allen Institute for Brain Science en hun collega's, gepubliceerd op 21 augustus in Natuur, deed precies dat. Het onthulde wat het Allen Institute tot nu toe "de meest gedetailleerde" onderdelenlijst "van het menselijk brein noemt." Ter herinnering aan hoeveel we nog steeds niet weten, was die lijst gericht op slechts één deel van het menselijk brein. Maar door genexpressie te gebruiken – het RNA getranscribeerd van DNA om eiwitten te maken – als een manier om cellen te categoriseren, definieerden de auteurs 75 verschillende celtypen in dat hersengebied, en ze denken nu dat het in de orde van enkele duizenden cellen kan zijn typen over de hele hersenen, veel meer dan eerder werd gedacht. Toen de wetenschappers celtypen van mensen en muizen vergeleken, ontdekten ze bovendien dat de meeste menselijke hersencellen een tegenhanger hebben in muizenhersenen, maar dat er ook opmerkelijke verschillen zijn. Die verschillen hebben waarschijnlijk invloed op de hersencircuits en kunnen verklaren waarom de overgrote meerderheid van klinische onderzoeken met therapeutische geneesmiddelen die bij muizen zijn uitgevoerd, niet zijn geslaagd bij de verplaatsing naar menselijke patiënten, waardoor het duidelijk is hoe essentieel het is om menselijke hersenen rechtstreeks te bestuderen.

"Dit gaat leiden tot menselijke cellulaire neurowetenschappen", zegt Christof Koch, hoofdwetenschapper en president van het Allen Institute en co-auteur van het artikel. “Wij geloven dat veel van de psychologische en neurologische ziekten ziekten van specifieke celtypen zijn. Het is niet goed genoeg om te weten dat er iets mis is in de amygdala. Je moet weten van de 100 verschillende celtypen die in de amygdala tot expressie worden gebracht, welke in het bijzonder tot overexpressie of onderexpressie komt, welke synaps niet meer functioneel is. "

De studie van Koch en zijn collega's komt neer op een blik op de voorhoede van genomics en neurowetenschappen, zegt Nenad Sestan, een neurowetenschapper en geneticus aan de Yale School of Medicine, die niet bij het werk betrokken was. "De database die ze hebben gegenereerd, is niet alleen een ongelooflijk nuttig onderzoekstool, maar ook een voorbode van het soort gegevenssets dat we binnenkort kunnen ontwikkelen en gebruiken om hersenstoornissen te onderzoeken."

Vanwege de moeilijkheid om levend menselijk hersenweefsel te bestuderen, is het meeste van wat we tot nu toe weten over menselijke hersenen afkomstig van postmortaal hersenweefsel of van hersenscantechnieken zoals functionele magnetische resonantiebeeldvorming. In het nieuwe artikel onderzochten de onderzoekers menselijke hersencellen uit de middle temporal gyrus (MTG), een gebied geassocieerd met geheugen en de integratie van informatie. Het werd gekozen omdat een deel van het menselijk hersenweefsel dat het Allen Institute gebruikt, met toestemming afkomstig is van operaties bij epilepsiepatiënten. De rest komt van post-mortem weefsel van donoren.

Het team van het Allen Institute koos voor een moleculaire benadering van het begrijpen van celdiversiteit. Het gebruikte een methodologische vooruitgang, single-cell transcriptomics genaamd, die het RNA-gehalte van een cel meet. "In plaats van de anatomie of de fysiologie te gebruiken als manier om na te denken over celtypen, kan men denken aan een cel zoals gedefinieerd door de genen die op een bepaald moment in die cel actief zijn", zegt neurowetenschapper Ed Lein, een Allen Institute onderzoeker en senior auteur van de studie. Genen coderen voor eiwitten die de celbestanddelen worden die de talloze taken van die cellen uitvoeren. Door de genen te meten die actief worden gebruikt of de genexpressie in individuele cellen, kunnen wetenschappers de functie van elke cel onderscheiden. In deze studie profileerden de onderzoekers de onderdelenlijst voor alleen de celkernen omdat ze gemakkelijk van elkaar kunnen worden gescheiden en hun genexpressiepatronen individueel kunnen worden geprofileerd. In volwassen menselijk hersenweefsel zijn hele cellen vaak groot en onderling verbonden, zodat ze vaak worden beschadigd wanneer ze worden gescheiden voor profilering. Het gebruik van kernen heeft het aantal cellen dat ze konden analyseren enorm uitgebreid (in totaal 16.000). De combinatie van genetische technologie en rekenvaardigheid die in deze studie wordt getoond, is opwindend, zegt Sestan. "We kunnen alles bij elkaar zien komen."

De onderzoekers waren enthousiast over de resultaten van hun soortoverschrijdende vergelijking. Een menselijk brein heeft ongeveer 1.000 keer meer cellen dan dat van een muis, maar de basiscomponenten blijken hetzelfde te zijn. Lein beschrijft het zien van de classificatie van de twee sets cellen zo netjes opgesteld als een 'aha-moment'. Toch werden kritische verschillen ontdekt in het relatieve aandeel van celtypen tussen de twee soorten en in waar de cellen werden gevonden in het lichaam, hun genexpressiepatronen en hun structurele eigenschappen. Als voorbeeld verwijst Lein naar piramidale cellen – de belangrijkste 'exciterende' neuronen die een signaalmolecuul afgeven om neuronen aan te sporen om te vuren. "In de menselijke cortex zijn ze 20 keer minder overvloedig dan in het muizencircuit", zegt hij. "Het hele circuit is gerenoveerd met dezelfde Legostukken maar (vervolgens) op een andere manier samengesteld."

In het ideale geval zouden de onderzoekers de menselijke MTG-cellen hebben vergeleken met een vergelijkbaar of homoloog gebied in het brein van de muis, maar het is niet duidelijk dat er een is. In plaats daarvan contrasteerden ze de menselijke MTG-cellen met twee zeer verschillende gebieden van de cortex van de muis: een motorisch gebied en een sensorisch (visueel) gebied. "In vergelijking met beiden en met een sterke homologie met beide, hebben we het bereik van wat men zou zien in de muizencortex, bestreken", zegt Lein.

Dergelijke vergelijkingen zijn belangrijk omdat we vaak muizen gebruiken om menselijke ziekten te modelleren. “We rechtvaardigen dat door op te merken dat veel anatomische en functionele kenmerken behouden blijven tussen knaagdieren en primaten. En voor zover ze kunnen worden waargenomen, zijn ze ook vergelijkbaar bij mensen ', zegt neurobioloog Edward Callaway van het Salk Institute for Biological Studies, die niet aan het nieuwe artikel werkte. "Zelfs als dezelfde celtypen bestaan, kunnen verschillen in genexpressie tussen de homologe celtypen wijzen op belangrijke functionele verschillen." Een belangrijke implicatie is dat niet-menselijke primaten een veel beter model kunnen zijn voor bepaalde menselijke aandoeningen dan muizen.

Een in de studie aangehaald voorbeeld zijn serotonine-receptoren. Zowel muizen als mensen hebben veel van dergelijke receptoren, maar de onderzoekers schreven dat ze "zeer uiteenlopende expressie tussen soorten" vonden. Dat betekent dat geneesmiddelen zoals selectieve serotonine heropname-remmers, die worden gebruikt om psychiatrische aandoeningen te behandelen, bij mensen waarschijnlijk heel anders zullen functioneren. dan bij muizen. Testen bij de dieren zullen niet veel onthullen over hoe die medicijnen in ons zullen werken.

"We hebben de gegevens om te zeggen of het ding dat u probeert te targeten op dezelfde manier wordt uitgedrukt of niet," zegt Lein. “In veel gevallen zal het gen worden gebruikt in een muis en een mens in hetzelfde hersengebied, maar niet in dezelfde cellen. Het verandert volledig van functie. Nu denk ik dat je kunt voorspellen waarom deze dingen misschien niet vertalen. '

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *