Самая большая карта развивающегося мозга показывает фазы возникновения неврологических расстройств.

Человеческий мозг состоит из тысяч типов клеток, которые формируются в ходе сложнейших процессов развития. Понимание того, как эти клетки возникают и организуются, было непростой задачей, поскольку их состояние быстро меняется с течением времени. Серия из двенадцати статей, опубликованных в журнале Nature международным консорциумом BRAIN Initiative Cell Atlas Network (BICAN), предлагает первую динамическую сравнительную картину развития мозга – от мыши до человека.

Исследователи использовали технологии изучения отдельных клеток и космические инструменты, чтобы отслеживать, как стволовые клетки превращаются в нейроны и глиальные клетки, как регулируется активность генов в процессе развития и как сенсорный опыт и окружающая среда влияют на идентичность клеток мозга. Результаты показывают, что типы клеток появляются не в фиксированных фазах, а скорее перекрывающимися волнами, и что некоторые программы развития могут быть реактивированы во взрослом возрасте или при болезни.

«Эти атласы представляют собой подробную схему того, как с течением времени возникают и созревают различные типы клеток мозга», — объясняет Хункуй Цзэн, директор по изучению мозга в Институте Аллена и один из ведущих авторов исследования. «Зная, когда и где активируются ключевые гены во время развития, мы можем начать понимать, как нарушения в этом процессе приводят к таким расстройствам, как аутизм или шизофрения».

Исследования, поддержанные инициативой BRAIN Национальных институтов здравоохранения США (NIH), также показывают, что диверсификация типов нейронов продолжается после рождения, особенно в ГАМК-ергических клетках, регулирующих активность мозга, и в зрительной коре. В этой области новые типы нейронов формируются в ключевые моменты, такие как открытие глаз или ранний зрительный опыт, что свидетельствует о том, что сенсорные воздействия влияют на развитие мозга гораздо сильнее, чем считалось ранее.

Как рассказал Цзэн SINC, «самым показательным открытием стало открытие того, что клетки мозга продолжают меняться и диверсифицироваться в течение всего постнатального периода». По его мнению, эта длительная диверсификация «может лежать в основе способности мозга учиться, адаптироваться и приобретать новые навыки, но также делает его более уязвимым к внешним воздействиям и, в то же время, более способным к коррекции дисфункций».

Он добавляет, что это продление развития «заставляет нас переосмыслить наше понимание причин нейропсихиатрических расстройств: различные расстройства могут включать в себя тонкие изменения на определенных этапах этого процесса, затрагивая определенные типы клеток или клеточных механизмов, что также открывает возможности для вмешательства».

Среди наиболее выдающихся открытий команды Института Аллена — идентификация человеческой клетки-предшественника, которая может быть связана с глиобластомой — разновидностью рака мозга, — а также определение временных интервалов, в которых концентрируются генетические риски психических расстройств.

Сравнение развития мозга разных видов, от мышей до человека, позволило исследователям выявить как общие черты, так и уникальные характеристики. Однако «самым сложным аспектом изучения или моделирования человеческого мозга является его длительное постнатальное развитие, которое может длиться около 20 лет по сравнению с 35 днями у мышей», — отмечает исследователь. «У человеческого мозга есть уникальный процесс замедленного созревания, называемый неотенией, который может лежать в основе таких способностей, как язык или интеллект, но именно эта длительность крайне затрудняет его экспериментальное изучение».

Заглядывая в будущее, ученый рассказал SINC, что консорциум BICAN намерен «создать всеобъемлющие карты развития клеток во всем мозге животных, наложить имеющиеся данные по человеку и сопоставить результаты по разным видам, чтобы заполнить критические пробелы в наших знаниях».

Цель, добавляет он, «состоит в том, чтобы провести масштабный вычислительный анализ и моделирование, чтобы понять молекулярные силы, управляющие развитием мозга, и на этой основе инициировать функциональные исследования, которые объяснят, как ощущения, поведение и другие функции мозга возникают с течением времени».

По словам Цзэна, эти усилия будут иметь тройной эффект: «Во-первых, мы лучше поймём, что делает человеческий мозг уникальным. Во-вторых, мы сможем точнее изучать, когда и где происходят изменения в мозге при заболеваниях, как в человеческих тканях, так и в животных моделях. И в-третьих, эти знания позволят нам разрабатывать более совершенные модели in vitro и более точные методы генной и клеточной терапии для лечения нейропсихиатрических заболеваний».

Коллекция данных BICAN является фундаментальным ресурсом для будущих исследований, направленных на установление связи между стадиями развития и уязвимостью к заболеваниям. Она также послужит улучшению конструкции органоидов мозга и моделей животных, а также разработке методов лечения, направленных на критические периоды развития. Несмотря на то, что ещё есть области мозга, требующие изучения, и существуют трудности в интеграции данных, исследователи утверждают, что эти первые атласы – решающий шаг на пути к всестороннему пониманию развития мозга.