Человеческий мозг ученые называют самым сложным объектом во Вселенной с его 86 миллиардами взаимосвязанных нейронов и примерно таким же числом поддерживающих глиальных клеток. Одна из загадок науки — как такой сложнейший орган создает себя из горстки стволовых клеток в эмбрионе.
Ученые Калифорнийского университета (Сан-Франциско, США) сделали первые шаги в создании атласа экспрессии генов в развивающемся человеческом мозге, что даст возможность рассмотреть и понять процесс того, как сети конкретных клеток и генов вносят свой вклад в строение этого сложного органа. Такой атлас станет ресурсом для исследователей-нейробиологов в том числе для того, чтобы изучить связь между генетическими программами и расстройствами нейроразвития, такими как аутизм, умственная отсталость и шизофрения.
Определение генных вариантов, которые несут риск неврологических и психических расстройств — важная задача, но не менее важно понять в точности, какие типы клеток в развивающемся мозге повреждаются в результате и какие это имеет последствия.
Ученые проанализировали генную экспрессию в индивидуальных клетках в разных структурах мозга на разных этапах его раннего развития. Затем при помощи статистических алгоритмов они разделили их на кластеры на основе реализуемых моделей генной экспрессии.
Такой анализ позволил команде ученых проследить генетические сигналы, управляющие развитием мозга на гораздо более тонком уровне, чем это было доступно ранее, как в разных областях мозга, так и во временном континууме. Например, им удалось обнаружить до сих пор неизвестные различия в генной экспрессии между нейронными стволовыми клетками, которые формируют глубокие структуры мозга и теми, что формируют неокортекс (часть коры, отвечающая за высшие нервные функции), и продемонстрировать, что специфические молекулярные характеристики различных типов нейронных клеток появляются гораздо раньше в процессе развития мозга, чем ученые до сих пор предполагали.
Одно из наиболее интересных и важных наблюдений ученых — это предположение о связи с аутизмом определенного типа нейронной стволовой клетки — наружной радиальной глии (outer-radial glia, oRG). Количество этих клеток резко возрастает у приматов по сравнению с другими млекопитающими, что, по-видимому, приводит к росту коры мозга, что, в сою очередь, сделало возможным развитие человеческого интеллекта.
Исследователи установили, что во время второго триместра беременности в клетках oRG в мозге эмбриона происходит экспрессия гена, связанного с фундаментальным сигнальным путем mTOR, дефекты которого ученые еще раньше связали с аутизмом. Полученные данные говорят о том, что клетки oRG, в которых происходит экспрессия mTOR, также играют роль в происхождении этого расстройства.
Ученые надеются, что атлас станет дорожной картой для исследований взаимосвязей между определенными типами клеток, сигнальными путями, рецепторами и физиологическими функциями мозга.
Spatiotemporal gene expression trajectories reveal developmental hierarchies of the human cortex. Science, 2017; 358 (6368): 1318 DOI: 10.1126/science.aap8809
