Vollständige Zellkarte des Gehirns von Säugetieren

Ein bahnbrechender Zellatlas, der das gesamte Mausgehirn mit mehr als 32 Millionen Zellen abbildet, ebnet den Weg für ein tieferes Verständnis des menschlichen Gehirns und die Entwicklung präziser Behandlungen für Hirnstörungen.

Ein internationales Forscherteam hat erstmals einen vollständigen Zellatlas des gesamten Gehirns von Säugetieren erstellt. Dieser Atlas dient als Karte des Mausgehirns, beschreibt Typ, Lage und molekulare Informationen von mehr als 32 Millionen Zellen und liefert Informationen über die Kommunikation zwischen diesen Zellen. Die Maus ist das am häufigsten verwendete Wirbeltier-Versuchsmodell in der neurowissenschaftlichen Forschung, und diese Zellkarte ebnet den Weg für ein besseres Verständnis des menschlichen Gehirns – des wohl leistungsstärksten Computers der Welt. Der Zellatlas legt zudem den Grundstein für die Entwicklung einer neuen Generation von Präzisionstherapien für Menschen mit psychischen und neurologischen Hirnerkrankungen.

Die Ergebnisse wurden finanziert durch Nationales Gesundheitsinstitut Hirnforschung durch die Entwicklung innovativer Neurotechnologien®-InitiativeOder die BRAIN®-Initiative und erscheint in einer Sammlung von 10 Forschungsarbeiten, die in veröffentlicht wurden Natur.

Joshua A. sagte: „Der Mausatlas hat wie nie zuvor Licht auf das komplexe Netzwerk der Gehirnzellen von Säugetieren geworfen und Forschern die Details geliefert, die sie zum Verständnis der Funktion und Krankheit des menschlichen Gehirns benötigen“, sagte Dr. Gordon, M.D., Direktor des National Institute of Psychiatry. Psychische Gesundheit gehört dazu Nationales Gesundheitsinstitut.

Detaillierte Kartierung des Mausgehirns

Der Zellatlas beschreibt die Zelltypen in jeder Region des Mausgehirns und ihre Organisation innerhalb dieser Regionen. Zusätzlich zu diesen Strukturinformationen bietet der Zellatlas einen unglaublich detaillierten Katalog des Transkriptoms einer Zelle – den vollständigen Satz von Gen-Readouts der Zelle, der Anweisungen zur Herstellung von Proteinen und anderen Zellprodukten enthält. Die im Atlas enthaltenen transkriptomischen Informationen sind hierarchisch organisiert und beschreiben Zellklassen, Unterklassen und Tausende einzelner Zellgruppen im Gehirn.

Der Atlas beschreibt auch das Zellgenom, also die chemischen Veränderungen der Zelle DNA Chromosomen verändern die Art und Weise, wie die genetische Information einer Zelle ausgedrückt wird, und beschreiben Tausende epigenomischer Zelltypen und Millionen potenzieller Genregulationselemente für verschiedene Arten von Gehirnzellen.

Räumliche Verteilung verschiedener Zelltypen im Gehirn der Maus. Hier wurde MERFISH verwendet, um 500 Gene im Gehirn von Mäusen zu messen, um die komplexe Verteilung der Zelltypen im gesamten Gehirn aufzudecken. Bildquelle: Yao/van Velthoven/Zeng, Allen Institute

Zusammengenommen liefern die in diesem Atlas enthaltenen strukturellen, transkriptomischen und genetischen Informationen eine beispiellose Karte der zellulären Organisation und Diversität im gesamten Mausgehirn. Der Atlas bietet auch einen Überblick über die Neurotransmitter und Neuropeptide, die von verschiedenen Zellen verwendet werden, sowie über die Beziehung zwischen Zelltypen im Gehirn. Diese Informationen können als Überblick darüber verwendet werden, wie chemische Signale in verschiedenen Teilen des Gehirns ausgelöst und übertragen werden. Diese elektrischen Signale sind die Grundlage für die Funktionsweise der Schaltkreise im Gehirn und für die Funktionsweise des Gehirns im Allgemeinen.

Leitung gemeinsamer Bemühungen und zukünftiger Ausrichtungen

„Dieses Produkt ist ein Beweis für die Kraft dieser beispiellosen und umfassenden Zusammenarbeit und ebnet uns den Weg zu präziseren Gehirntherapien“, sagte John Ngai, Ph.D., Direktor der NIH BRAIN Initiative.

Von den 10 in dieser Sammlung enthaltenen Studien werden sieben durch das NIH BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) und zwei durch die größere NIH BRAIN Initiative finanziert. Das Hauptziel von BICCN, einer bahnbrechenden Gemeinschaftsinitiative zum Verständnis des zellulären Aufbaus des Gehirns, ist die Entwicklung einer umfassenden Bestandsaufnahme der Zellen im Gehirn – wo sie sich befinden, wie sie sich entwickeln, wie sie zusammenarbeiten und wie sie funktionieren. Regulierung ihrer Aktivität – um besser zu verstehen, wie Hirnstörungen entstehen und fortschreiten und wie man sie behandelt.

„Durch die Nutzung der einzigartigen Natur der internationalen, multidisziplinären Zusammenarbeit konnte BICCN erreichen, was noch kein anderes Wissenschaftlerteam zuvor erreichen konnte“, sagte Dr. Ngai. „Wir sind jetzt bereit für den nächsten großen Schritt, nämlich die Vervollständigung von Zellkarten des menschlichen Gehirns und des Gehirns nichtmenschlicher Primaten.“

Das BRAIN Initiative Cell Atlas Network (BICAN) ist die nächste Phase der Bemühungen der NIH BRAIN Initiative, die Zellen und Zellfunktionen des Gehirns von Säugetieren zu verstehen. BICAN ist ein transformatives Projekt, das zusammen mit zwei anderen Großprojekten – der BRAIN Initiative for Cross-Scale Communication und Precision Access to Brain Cells – darauf abzielt, die neurowissenschaftliche Forschung zu revolutionieren, indem es grundlegende Prinzipien beleuchtet, die die Grundlage der Verhaltensschaltkreise bestimmen, und neue Informationen liefert Ansätze zur Behandlung von Hirnerkrankungen. Mensch.

Referenz: „Ein hochauflösender transkriptomischer und räumlicher Atlas der Zelltypen im gesamten Maushirn“ von 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, Skylar Monsmann, Toc Nghi Nguyen, Sven Otto, Trangthan Pham, Christine Remorin, Augustin Ruiz, Raymond Sanchez, Lynn Sawyer, Nadia Shapovalova, Noah Shepard, Cliff Sloterbeck, 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 und Hongkui Zeng, 13. Dezember 2023, Natur.
doi: 10.1038/s41586-023-06812-z