«Разнообразие различных типов клеток, из которых состоит наш мозг, можно полностью понять только в свете истории их развития», – сказал профессор биологии Нью-Йоркского университета Клод Десплан, старший автор исследования.
Мозг состоит из тысяч нейронов разных типов. Несмотря на одинаковую генетическую информацию, нейроны достигают этого разнообразия, включая разные наборы генов в каждом типе нейрона и на каждой стадии своего развития.
Чтобы понять разнообразие клеток мозга, исследователи долгое время изучали плодовых мушек, мозг которых, хотя и намного проще человеческого, можно использовать в качестве модельной системы.
Исследователи ранее идентифицировали примерно 60000 клеток и 200 типов нейронов, которые составляют зрительные доли плодовых мушек, области мозга, которые обрабатывают визуальную информацию, включая цветовое зрение и обнаружение объектов и движения.
В своем новом исследовании в Nature исследователи из лаборатории Десплана стремились тщательно охарактеризовать разнообразие нейронов в зрительной доле и построить «атлас развития» экспрессии генов, сравнивая клетки в мозге взрослых мух и исследуя различия во время развития.
Исследователи создали свой «атлас», воспользовавшись формой недавно изобретенного метода, известного как секвенирование мРНК одной клетки, которое позволило им захватить и секвенировать мРНК из более чем 250 000 отдельных клеток.
Используя комбинацию подходов машинного обучения, они присвоили каждой из этих ячеек определенный тип клеток на протяжении всего процесса разработки.
«Наши наборы данных почти полностью учитывают известное нейронное разнообразие зрительных долей и могут служить парадигмой для понимания развития мозга у разных видов», – сказал Несет Озель, научный сотрудник Нью-Йоркского университета и один из ведущих авторов исследования. «Атлас» представляет собой огромный ресурс для исследовательского сообщества: теперь мы можем просто посмотреть, активен ли конкретный ген в любом типе клеток по нашему выбору и на любом этапе его развития."
Создавая свой «атлас развития», исследователи сделали несколько открытий.
Во-первых, они обнаружили у плодовых мушек совершенно новый тип нейронов, который присутствует только на поверхности зрительной доли во время развития, но удаляется посредством запрограммированной гибели клеток прямо перед тем, как мухи вылупляются.
«Хотя мы еще не понимаем функции этих ранее неизвестных нейронов, нейроны с очень похожими свойствами – так называемые клетки Кахаля-Ретциуса – также существуют в головном мозге млекопитающих, и они имеют решающее значение для правильного развития мозга», – сказал Феликс Саймон. докторант биологии Нью-Йоркского университета и другой ведущий автор исследования.
Кроме того, исследователи обнаружили, что нейроны демонстрируют самый высокий уровень молекулярного разнообразия во время развития по сравнению со взрослыми нейронами, что позволяет клеткам во время развития формировать связи с конкретными клетками-партнерами – и избегать неправильных. В результате нейроны могут приобретать различные особенности и функции исключительно из-за истории своего развития, даже если их физиологические свойства во взрослом мозге могут быть идентичными.
"Это имеет большое значение для исследований нарушений развития нервной системы. Нарушения функции нейронной цепи могут происходить полностью из-за дефектов в определенных генетических программах, которые активны лишь временно во время развития и которые невозможно понять, просто взглянув на конечный результат », – пояснил Озель.
Наконец, исследование показало, что нейроны, которые выглядят одинаково по форме, могут экспрессировать разные наборы генов в верхней и нижней части мозга. Эти различия могут дать мухам возможность выполнять различные вычисления с визуальной информацией, которую они получают – например, небо по сравнению с землей.