Forscher der University of California San Diego haben in einer großen Gemeinschaftsarbeit Genschalter in verschiedenen Gehirnzelltypen kartiert, indem sie über eine Million menschliche Gehirnzellen analysierten. Diese Studie, Teil der BRAIN-Initiative, beleuchtete den Zusammenhang zwischen bestimmten Zelltypen und neuropsychiatrischen Störungen. Darüber hinaus nutzten sie KI, um die Auswirkungen spezifischer Genvarianten mit hohem Risiko vorherzusagen.
Forscher kartieren Genschalter und Gehirnzelltypen, die mit Schizophrenie, bipolarer Störung, Alzheimer Krankheiten und schwere Depressionen.
In einer großen, institutsübergreifenden Initiative unter der Leitung der University of California San Diego (UCSD) haben Forscher mehr als eine Million menschliche Gehirnzellen analysiert, um detaillierte Karten von Genschaltern in Gehirnzelltypen zu erstellen und die Verbindungen zwischen bestimmten Zelltypen aufzudecken und verschiedene häufige neuropsychiatrische Erkrankungen. Das Team entwickelte außerdem Werkzeuge der künstlichen Intelligenz, um den Einfluss einzelner Hochrisiko-Genvarianten auf diese Zellen und ihren möglichen Beitrag zur Krankheit vorherzusagen.
„Das menschliche Gehirn ist nicht homogen. Es ist eher ein Mosaik aus verschiedenen Zelltypen, die unterschiedlich aussehen und unterschiedliche Funktionen erfüllen. Die Kartierung der verschiedenen Zelltypen im Gehirn und das Verständnis ihrer Funktionsweise werden uns letztendlich dabei helfen, neue Therapien zu entdecken, die auf einzelne Zelltypen abzielen, die für bestimmte Krankheiten relevant sind.“ — Bing Ren, PhD
BRAIN-Initiative und ihr Ziel
Diese bahnbrechende Forschung wird in einer Sonderausgabe von vorgestellt Wissenschaft am 13. Oktober 2023 ist Teil der Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative (BRAIN-Initiative) des National Institute of Health, die 2014 ins Leben gerufen wurde. Die Initiative zielt darauf ab, das Verständnis des Gehirns von Säugetieren zu revolutionieren, teilweise durch die Entwicklung neuartiger Neurotechnologien zur Charakterisierung neuronaler Zelltypen.
Zellulare Unterschiede verstehen
Jede Zelle im menschlichen Gehirn enthält die gleiche Abfolge von DNA, aber verschiedene Zelltypen nutzen unterschiedliche Gene und in unterschiedlichen Mengen. Diese Variation produziert viele verschiedene Arten von Gehirnzellen und trägt zur Komplexität neuronaler Schaltkreise bei. Zu lernen, wie sich diese Zelltypen auf molekularer Ebene unterscheiden, ist entscheidend für das Verständnis der Funktionsweise des Gehirns und die Entwicklung neuer Wege zur Behandlung neuropsychiatrischer Erkrankungen.
Die Komplexität des menschlichen Gehirns
„Das menschliche Gehirn ist nicht homogen“, sagte der leitende Autor Bing Ren, PhD, Professor an der UC San Diego School of Medicine. „Es besteht aus einem enorm komplexen Netzwerk von Neuronen und nicht-neuronalen Zellen, von denen jede unterschiedliche Funktionen erfüllt. Die Kartierung der verschiedenen Zelltypen im Gehirn und das Verständnis ihrer Zusammenarbeit werden uns letztendlich dabei helfen, neue Therapien zu entdecken, die auf einzelne Zelltypen abzielen, die für bestimmte Krankheiten relevant sind.“
Wichtigste Ergebnisse der Studie
In der neuen Studie analysierte das Forscherteam mehr als 1,1 Millionen Gehirnzellen in 42 verschiedenen Gehirnregionen von drei menschlichen Gehirnen. Sie identifizierten 107 verschiedene Subtypen von Gehirnzellen und konnten Aspekte ihrer Molekularbiologie mit einem breiten Spektrum neuropsychiatrischer Erkrankungen in Verbindung bringen, darunter Schizophrenie, bipolare Störung, Alzheimer-Krankheit und schwere Depression. Mithilfe dieser Daten erstellen die Forscher dann Modelle für maschinelles Lernen, um vorherzusagen, wie bestimmte Sequenzvariationen in der DNA die Genregulation beeinflussen und zur Entstehung von Krankheiten beitragen können.
Laufende Forschung und zukünftige Bemühungen
Obwohl diese neuen Ergebnisse wichtige Einblicke in das menschliche Gehirn und seine Pathologie bieten, sind Wissenschaftler mit der Kartierung des Gehirns noch lange nicht fertig. Im Jahr 2022 gründete die UC San Diego gemeinsam mit dem Salk Institute und anderen ein Center for Multiomic Human Brain Cell Atlas, dessen Ziel es ist, Zellen aus über einem Dutzend menschlicher Gehirne zu untersuchen und Fragen dazu zu stellen, wie sich das Gehirn während der Entwicklung, über die Lebensspanne von Menschen usw. verändert mit Krankheit.
„Die Ausweitung unserer Arbeit auf einen noch detaillierteren Grad an einer größeren Anzahl von Gehirnen wird uns dem Verständnis der Biologie neuropsychiatrischer Störungen und ihrer Rehabilitation einen Schritt näher bringen“, sagte Ren.
Referenz: „Ein vergleichender Atlas der Zugänglichkeit von Einzelzellchromatin im menschlichen Gehirn“ von Yang Eric Li, Sebastian Preissl, Michael Miller, Nicholas D. Johnson, Zihan Wang, Henry Jiao, Chenxu Zhu, Zhaoning Wang, Yang Xie, Olivier Poirion , Colin Kern, Antonio Pinto-Duarte, Wei Tian, Kimberly Siletti, Nora Emerson, Julia Osteen, Jacinta Lucero, Lin Lin, Qian Yang, Quan Zhu, Nathan Zemke, Sarah Espinoza, Anna Marie Yanny, Julie Nyhus, Nick Dee, Tamara Casper, Nadiya Shapovalova, Daniel Hirschstein, Rebecca D. Hodge, Sten Linnarsson, Trygve Bakken, Boaz Levi, C. Dirk Keene, Jingbo Shang, Ed Lein, Allen Wang, M. Margarita Behrens, Joseph R. Ecker und Bing Ren, 13 Oktober 2023, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.adf7044
Zu den Co-Autoren der Studie gehören: Yang Eric Li, Sebastian Preissl, Michael Miller, Zihan Wang, Henry Jiao, Chenxu Zhu, Zhaoning Wang, Yang Xie, Olivier Poirion, Colin Kern, Lin Lin, Qian Yang, Quan Zhu, Nathan Zemke , Sarah Espinoza, Jingbo Shang und Allen Wang an der UC San Diego, Nicholas D. Johnson Antonio Pinto-Duarte, Wei Tian Nora Emerson, Julia Osteen, Jacinta Lucero, M. Margarita Behrens und Joseph R. Ecker am Salk Institute for Biological Studies , Kimberly Silett und Sten Linnarsson am Karolinksa Institute Anna Marie Yanny, Julie Nyhus, Nick Dee, Tamara Casper, Nadiya Shapovalova, Daniel Hirschstein, Rebecca D. Hodge Trygve Bakken, Boaz Levi und Ed Lein am Allen Institute of Brain Science und C. Dirk Keene bei Universität von Washington Seattle.
Die Studie wurde unterstützt von der Nationales Gesundheitsinstitut (Zuschüsse UM1MH130994, U01MH114812, U54HG012510 und S10 OD026929), die National Science Foundation (Zuschuss OIA-2040727); das Nancy and Buster Alford Endowment, die Life Sciences Research Foundation sowie Schenkungen von Google, Adobe und Teradata.