Одноклеточное секвенирование рисует разнообразные картины мозга

В начале XX века испанский нейробиолог Сантьяго Рамон-и-Кахаль (Santiago Ram?n y Cajal) составил подробное описание нейронов. Теперь технологии анализа профиля генной экспрессии отдельных клеток позволяют детально исследовать все их типы. Bosiljka Tasic из Института мозга Аллена в США и её коллеги определили профили экспрессии генов более чем в 20 000 клеток, главным образом нейронов, из двух анатомически отличных корковых областей у взрослых мышей — зрительной и моторной коры.

В то же время Майкл Н. Экономо (Michael N. Economo) из Медицинского института Говарда Сьюза с коллегами изучал тонкие различия между нейронами в пятом слое двигательной коры. Результаты авторов демонстрируют, как понимание молекулярной таксономии мозга может привести нас к пониманию того, как нейроны соединяются и функционируют.

Исследование секвенирования одной клетки показывает, как различные типы нейронов распределяются в головном мозге. Затем анализ демонстрирует, как эти данные могут улучшить наше понимание нейрональных функций.

Представьте себе арт-куратора, готовящегося к выставке. Картины в галерее могут быть организованы в различные ансамбли — например, художником, медиумом, стилем или темой. Аналогичным образом, нейроны могут быть классифицированы в соответствии с различными особенностями, такими как их размер, форма или расположение в мозге. Пишу в природе, ТАСИС, в рамках соавт.1 и Экономо и соавт.2 вникните в галерее видах нейронов в коре головного мозга мыши, а также использовать передовые технологии, чтобы раскрыть ранее неизвестные грани этих клеток.

На рубеже двадцатого века испанский нейробиолог Сантьяго Рамон и Кахаль создал "портретную галерею" нейронов, тщательно изучив кусочки ткани мозга, чтобы получить подробные рисунки клеток, которые захватили их разнообразные формы. С тех пор, нейроны более добавочно были охарактеризованы используя измерения формы, физиологии или функции. В настоящее время технологии анализа профиля экспрессии генов в одиночных клетках позволяют объективно исследовать типы клеток.

Кора головного мозга отвечает за познание и память и содержит области, связанные с сенсорными и двигательными функциями. Тасик и его коллеги использовали одноячеечное секвенирование для профилирования ландшафтов экспрессии генов более чем 20 000 клеток, в основном нейронов, из двух анатомически различных областей коры головного мозга у взрослых мышей-зрительной коры головного мозга, которая обрабатывает зрительную сенсорную информацию из глаза, и передней боковой двигательной коры, которая участвует в движении. При этом они могли сравнивать ячейки одного типа, расположенные в регионах с различными функциями (Рис. 1).

Рисунок 1 / разнообразие типов клеток в коре мыши. ТАСИС, в рамках соавт.1 microdissected передней латеральной моторной коры и зрительной коры головного мозга мыши, и подвергнуть нейрональных клеток из этих регионов в одну ячейку последовательности. Авторы выделили 133 типа клеток на основе профилей экспрессии генов. Анализ показал, что типы ингибирующих нейронов разделяются между областями (цвета указывают на типы клеток), но типы возбуждающих нейронов являются областно-специфическими. Экономо и соавт.Два выполнена глубинная характеристика двух субпопуляций возбуждающих нейронов в двигательной коре. Они обнаружили, что они соединяются с различными областями мозга (таламусом и мозгом) и выполняют различные функции в подготовке и инициировании движения.

В широком смысле, нейроны коры головного мозга могут быть классифицированы как возбуждающие или ингибирующие, в зависимости от типа молекулы нейротрансмиттера, которую они производят, и приводит ли их активация к повышенной или пониженной активности нейронных цепей. Авторами выявлено более 100 различных типов клеток, в том числе 61 Тип ингибирующего нейрона и 56 типов возбуждающего нейрона. Они обнаружили, что большинство типов клеток присутствуют в обеих кортикальных областях — за исключением возбуждающих нейронов.

Эти клетки являются основным видом деятельности генерирующих единиц контуры кортикальных, и уже давно предположили, чтобы быть одинаковыми для всех областей коры головного мозга3. Но ТАСИС, в рамках соавт. найдено что почти каждый подтип возбуждающего нейрона был специфичен для зрительной или передней боковой двигательной коры. Авторы вводили в клетки флуоресцентные трейсеры для отслеживания их нейрональных проекций в отдаленные области мозга. Удивительно, но нейроны с различными профилями экспрессии генов также показали различные модели проекции на большие расстояния, предполагая, что молекулярные определения типов клеток, основанные на экспрессии генов, могут предоставить информацию о множественных свойствах возбуждающего нейрона.

Исследование, опубликованное в прошлом году4 также нашли конкретного района возбуждающих нейронов в развитии коры головного мозга человека, еще до корковых цепей начинают обрабатывать сенсорную информацию. Это, наряду с наблюдениями Тасика и коллег, говорит о необходимости пересмотра нашей структуры для понимания того, как кортикальные области обрабатывают различные типы информации. В частности, эти результаты показывают, что функциональная специализация кортикальных областей может опираться не только на различия в микросхемах и связности, но и на использование различных типов клеток для обработки информации.Будущая работа необходима для того чтобы попробовать клетки от более кортикальных зон для того чтобы установить сколько зональн-специфических типов excitatory-нейрона существуют и как их распределение влияет на кортикальную функцию.

В то время как ТАСИС, в рамках и коллег присутствует целая галерея корковых нейронов, Экономо и соавт.2 увеличьте масштаб, чтобы посмотреть на нюансы различий между нейронов в одном слое коры — так же, как изучают картины в том же стиле на одном этаже. Возбуждающие пирамидальные нейроны тракта, которые находятся в области, называемой слоем 5, в передней боковой двигательной коре, связываются с другими нейронами, расположенными на расстоянии многих тысяч диаметров клеток, устанавливая физические контакты. Пирамидного тракта нейронами предположительно все имеют схожие функции5. Однако Анализ Tasic и коллег показал, что эти клетки попадают в различные подтипы на основе их профилей экспрессии генов. Экономо и коллеги стремились разобрать различия между подгруппами.

Пирамидальные нейроны тракта, расположенные в основном в верхней части слоя 5, посылают сигналы в область мозга, называемую таламусом, который отправляет проекции обратно в кору головного мозга, образуя петлю, участвующую в подготовке к двигательной активности. ТАСИС, в рамках соавт. показано, что эти нейроны на молекулярном уровне отличаются от тех, которые расположены в нижней части слоя 5, что проект продолговатого мозга, которая связана с выполнением движения. Экономо и соавт. проектировал каждое subpopulation невронов для того чтобы выразить канал channelrhodopsin протеина — светочувствительный канал Иона. Это позволяет точно контролировать нейрональную активность с помощью света (метод, известный как оптогенетика), что позволяет авторам рассекать роли верхних и нижних нейронов 5-го слоя в различных типах двигательной функции.

Экономо и ее коллеги использовали свет для самостоятельной активации популяций пирамидального тракта у мышей и одновременно контролировали как модели активности клеток, так и поведение животных, когда они занимались моторным обучением. Эти эксперименты подтвердили, что две популяции нейронов пирамидального тракта имеют отдельные роли: одна в подготовке к двигательной активности, а другая в инициировании движения.Результаты авторов также являются убедительной демонстрацией того, как понимание молекулярной таксономии мозга может привести нас к пониманию того, как нейроны соединяются и функционируют.

Вместе, эти два исследования выделить преобразовательный потенциал атлас масштабных наборов данных в современной неврологии6,7. Они являются убедительным аргументом для проведения аналогичных исследований более типов клеток и мозгов животных различных видов, в том числе людей, в различных возрастных группах. В поддержку необходимости сведения из разных видов, последние одноклеточные последовательность изучения8 сообщает о большем разнообразии нейронов в когнитивно-ассоциированной области человеческой коры, чем было описано для мышей-это может объяснить нашу способность к познанию более высокого порядка. Дополнительные характеристики обоих нейронов и non-нейрональных клеток-классы могут также давать по-новому взглянуть на их селективной уязвимости к болезням государства, и поручить разработку протоколов для создания этих типов клеток из стволовых клеток в лабораторных условиях, для использования в качестве модели болезни и для тестирования на наркотики.

В будущем исследователи, несомненно, будут использовать генетические маркеры конкретных нейронных популяций, идентифицированных атласом клеток Тасика и коллег. Например, эти маркеры могут быть использованы для разработки более оптогенетических экспериментов, нацеленных на конкретные нейрональные популяции; для исследования того, можно ли найти "специфичные для области" типы клеток в других корковых регионах; и для изоляции популяций клеток для дальнейшей функциональной характеристики.

Однако для перевода клеточного состава мозга в биологически значимые идеи потребуются новые стратегии для исследования функции нейронов. Технологии манипулирования типов клеток в настоящее время разрабатывается при поддержке американского Национального института здоровья мозга инициатива9 может включить эти анализы. При этом они могут позволить нам в полной мере оценить портретную галерею клеток, которые управляют функцией мозга.

Источник: www.nature.com

Комментарии: