Mapa komórek mózgowych może wzmocnić schizofrenię, badania nad demencją
- W ramach wspólnego badania prowadzonego przez Uniwersytet Kalifornijski w San Diego naukowcy zbadali ponad milion ludzkich komórek mózgowych, aby stworzyć skomplikowane mapy regulatorów genów specyficznych dla różnych typów komórek mózgowych.
- Badanie to nie tylko pokazuje zawiłe powiązania między różnymi kategoriami komórek a powszechnymi zaburzeniami neuropsychiatrycznymi, ale także jest pionierem w wykorzystaniu sztucznej inteligencji do przewidywania wpływu zmian genów wysokiego ryzyka w tych komórkach, potencjalnie otwierając możliwość wglądu w rozwój chorób.
- Badanie to stanowi istotną część rewolucyjnej inicjatywy BRAIN Initiative Narodowego Instytutu Zdrowia, zainicjowanej w 2014 roku, której celem jest zrewolucjonizowanie naszego rozumienia mózgu ssaków poprzez rozwój innowacyjnych neurotechnologii służących do klasyfikacji różnych typów komórek nerwowych.
Nowe badanie, opublikowane w specjalnym wydaniu magazynu Naukapodkreśla powiązania między określonymi typami komórek a różnymi powszechnymi schorzeniami neuropsychiatrycznymi.
W ludzkim mózgu każda komórka ma identyczną sekwencję DNA, ale różne typy komórek wykorzystują różne geny w różnych ilościach.
Ta różnorodność skutkuje powstaniem wielu typów komórek mózgowych i zwiększa złożoność sieci neuronowych.
Uzyskanie wglądu w molekularne różnice między tymi typami komórek ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia funkcjonalności mózgu i opracowania innowacyjnych podejść do leczenia zaburzeń neuropsychiatrycznych, takich jak schizofrenia, choroba afektywna dwubiegunowa, choroba Alzheimera i duża depresja.
Ludzki mózg nie jest z natury jednolity. Zawiera niezwykle skomplikowany system neuronów i komórek nieneuronalnych, z których każda pełni odrębną rolę.
Stworzenie kompleksowej mapy tych różnorodnych typów komórek mózgowych i rozszyfrowanie ich wspólnych funkcji ostatecznie doprowadzi do identyfikacji nowych metod leczenia, które będą mogły być ukierunkowane konkretnie na odpowiednie typy komórek powiązane z określonymi chorobami.
Rozmawiało z czterema ekspertami niezaangażowanymi w to badanie Wiadomości medyczne dzisiaj o swoich ustaleniach.
Dr Ryan S. Sultan jest adiunktem psychiatrii klinicznej na Oddziale Psychiatrii w Centrum Medycznym Irving Medical Center Uniwersytetu Columbia oraz Instytucie Psychiatrycznym stanu Nowy Jork. Zauważył, że obecne badania „badają ważny temat z zakresu neuronauki i genetyki”.
Dr Sultan wyjaśnił, że „badanie jest obszerne i obejmuje analizę dostępności chromatyny w 1,1 miliona komórek z różnych obszarów mózgu”.
Naukowcy wskazali 107 unikalnych podkategorii komórek mózgowych i ustalili powiązania między aspektami ich cech molekularnych a różnymi zaburzeniami neuropsychiatrycznymi, takimi jak schizofrenia, choroba afektywna dwubiegunowa, choroba Alzheimera i duża depresja.
Następnie badacze skonstruowali modele uczenia maszynowego mające na celu prognozowanie, w jaki sposób określone zmiany sekwencji DNA mogą wpływać na regulację genów i przyczyniać się do rozwoju chorób.
Chociaż te ostatnie odkrycia dostarczają istotnego wglądu w ludzki mózg i jego zaburzenia, naukowcy wciąż są w trakcie kompleksowego mapowania mózgu.
Doktor James Giordano, profesor neurologii i biochemii w Pellegrino Center w Georgetown University Medical Center, skomentował tę sytuację: Nauka numer specjalny, opublikowany 13 października 2023 roku, poświęcony badaniom opartym na Inicjatywie BRAIN.
Powiedział, że „badania te, opublikowane w serii artykułów w renomowanych czasopismach medycznych, przedstawiają pierwszą kompleksową mapę mechanizmów molekularnych właściwych konkretnym typom komórek w odrębnych obszarach ludzkiego mózgu”.
„W sumie badania te dają „atlas molekularny” węzłów komórek, które są genotypowo skorelowane z ekspresją pewnych fenotypów strukturalnych i funkcjonalnych, które mogą mieć związek z szeregiem schorzeń neuropsychiatrycznych”.
– Doktor James Giordano
Dr Consuelo Walss-Bass, profesor psychiatrii i nauk behawioralnych oraz dyrektor programu Genetyki Psychiatrycznej na Uniwersytecie UTHealth Houston, zauważyła, że „badania nad [the] ludzki mózg był historycznie trudny ze względu na ograniczoną możliwość uzyskania próbek ludzkiego mózgu”.
„Jednak ostatnio postęp w technologiach genomicznych w połączeniu ze zwiększoną dostępnością pośmiertnej tkanki mózgowej ułatwił generowanie wielopoziomowych danych omikowych, w tym epigenomiki, transkryptomiki, proteomiki, w [the] ludzkiego mózgu” – dodała.
„To przełomowy przykład postępu technologicznego, opisujący sposób, w jaki można obecnie zidentyfikować na poziomie pojedynczej komórki regiony DNA zaangażowane w regulację ekspresji genów („włączanie i wyłączanie genów”). Do tej pory brakowało technologii, która pozwalałaby na rozwiązywanie tego poziomu wiedzy na poziomie pojedynczej komórki.
– Doktor Consuelo Walss-Bass
Jednakże dr Stefan Ivantu, konsultant psychiatra w ADHD Specialist, stwierdził, że jego zdaniem przed badaczami jeszcze długa droga, zanim stworzyli prawdziwy „atlas komórek mózgowych”.
„[I]Moim zdaniem” – powiedział nam – „analiza 1 miliona komórek jest uważana za małą próbkę, biorąc pod uwagę złożoność ludzkiego mózgu. Bardzo mało [people] zdają sobie sprawę, że ludzki mózg składa się średnio z 86 miliardów komórek, które stale ze sobą współdziałają.”
„To, co jeszcze bardziej utrudnia, to interakcje między komórkami, które są znacznie bardziej złożone” – dodał. „Jednak dzięki potężniejszym narzędziom wyobraźni i sztucznej inteligencji możemy być w stanie zrozumieć wzorce związane z konkretnymi warunkami”.
Zdaniem doktora Ivantu „[a] bardziej obiecującą dziedziną są obliczenia kwantowe, które w połączeniu z najnowszymi osiągnięciami sztucznej inteligencji mogą być skuteczniejsze w zrozumieniu ludzkiego mózgu”.
Niemniej jednak zauważył, że „[i]Niezwykle zachęcające jest to, że badacze wykorzystują więcej technologii na kolejnych etapach zrozumienia ludzkiego mózgu i uważam, że jest to właściwe podejście”.
Dr Walss-Bass zwróciła uwagę, że badacze „zidentyfikowali obszary genomu w poszczególnych komórkach mózgowych, które określają, czy gen ulegnie ekspresji, czyli przekształceniu się w RNA, a następnie białko, aby pełnił określone funkcje”.
„Na tej podstawie autorzy byli w stanie powiązać geny, które wcześniej łączono ze schizofrenią i innymi zaburzeniami psychicznymi, z obszarami DNA, w których regulowana jest ekspresja tych genów” – wyjaśniła.
„Zrozumienie, w jaki sposób ekspresja genów jest regulowana w określonych typach komórek mózgu, stanowi znaczący postęp, który pomoże rzucić światło na neurobiologiczne mechanizmy zaburzeń psychicznych i może doprowadzić do opracowania nowych terapii stosowanych w leczeniu tych zaburzeń”.
– Doktor Consuelo Walss-Bass
Doktor Sultan wyjaśnił, że to „badanie ma znaczące implikacje dla pacjentów i społeczeństwa”.
„Pogłębia naszą wiedzę na temat genetycznych podstaw zaburzeń neuropsychiatrycznych, potencjalnie torując drogę bardziej ukierunkowanym terapiom i medycynie precyzyjnej w neuropsychiatrii” – wyjaśnił dr Sultan.
Dr Ivantu zauważył, że „w krótkiej perspektywie konsekwencje dla pacjentów i społeczeństwa będą ograniczone. Zanim test przejdzie fazę badawczą i zgromadzi dowody do wdrożenia w praktyce klinicznej, miną lata”.
„Jednakże” – zauważył – „w dłuższej perspektywie być może uda nam się zrozumieć pochodzenie pewnych zaburzeń neuropsychiatrycznych, a może i coś więcej!”
„Jeśli technologia stanie się skuteczna, odegra ona nie tylko rolę w leczeniu chorób, ale także w jeszcze bardziej ekscytującej profilaktyce. I wreszcie najważniejsze jest dawanie przykładu poprzez to badanie i zachęcanie społeczności badaczy do wykorzystywania sztucznej inteligencji i technologii w swoich projektach” – wyjaśnił dr Ivantu.
Doktor Ivantu zgodził się z tym, stwierdzając, że „przyszłość wygląda obiecująco”.
