Atlas mózgu bezpłatnie dostępny dla badaczy na całym świecie - „Science”

W ramach międzynarodowego projektu naukowcy opracowali najpełniejszy jak dotąd atlas mózgu, a dokładniej atlas ludzkich komórek mózgowych. Swoje wyniki opisali w serii aż 21 artykułów, zamieszczonych jednocześnie w specjalnym numerze „Science” oraz pismach „Science Advances” i „Science Translational Medicine”.

Atlas mózgu – projekt badawczy

.Prace opublikowane 12 października 2023 roku są częścią rozpoczętego w 2013 roku projektu National Institute of Health Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative – w skrócie The BRAIN Initiative. Celem programu jest stworzenie atlasu mózgu ludzkiego i mózgu naczelnych innych niż człowiek na poziomie komórkowym z niespotykaną dotąd szczegółowością. W projekcie uczestniczą między innymi naukowcy z University of California w San Diego, Salk Institute for Biological Studies, Allen Institute of Brain Science, Mount Sinai and Yale University School of Medicine, University of Washington (USA) oraz Karolinska Institutet (Szwecja). Aby móc analizować ogrom informacji, naukowcy posługiwali się między innymi sztuczną inteligencją.

Mózg to najbardziej skomplikowany anatomicznie ludzki narząd, uważany też za najbardziej skomplikowana strukturę w znanym nam Wszechświecie. Według różnych szacunków liczba tworzących go komórek nerwowych sięga 100 miliardów, a każdy neuron jest połączony za pośrednictwem synaps z kilkoma tysiącami innych neuronów – w sumie to około 100 bilionów połączeń. Aby móc go badać, trzeba mieć punkt odniesienia – taki, jak nowy atlas.

Zrozumienie działania mózgu

.Wiedza o tym, jakie komórki tworzą zdrowy mózg, gdzie znajdują się różne typy komórek i jak mózg rozwija się od etapu embrionalnego, ma fundamentalne znaczenie dla możliwości porównania i lepszego zrozumienia, w jaki sposób powstają choroby psychiczne czy neurologiczne. Dotychczas dostępne były zaawansowane atlasy mózgu myszy – ale nie ludzkiego, i nie było wiadomo, w jakim stopniu wyniki badań na zwierzętach można odnieść do ludzi. Przy okazji prac nad nowym atlasem porównano właściwości komórek ludzkiego mózgu z komórkami mózgów innych ssaków naczelnych.

Każda komórka w ludzkim mózgu zawiera tę samą sekwencję DNA, jednak różne typy komórek korzystają z różnych genów i w różny sposób. Ta zmienność powoduje powstawanie wielu różnych typów komórek mózgowych i przyczynia się do złożoności obwodów nerwowych. Dowiedzenie się, czym różnią się te typy komórek na poziomie molekularnym, ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia działania mózgu i opracowania nowych sposobów leczenia.

Badacze przeanalizowali ponad milion ludzkich komórek mózgowych, aby stworzyć szczegółowe mapy przełączania się genów w poszczególnych typach komórek mózgowych. Ujawnili również powiązania między określonymi typami komórek i różnymi powszechnymi zaburzeniamo neuropsychiatrycznymi.

„Ludzki mózg nie jest jednorodny” – powiedział starszy autor, prof. Bing Ren z University of California w San Diego. – „Składa się z niezwykle złożonej sieci neuronów i komórek nieneuronalnych, z których każda pełni inne funkcje. Mapowanie różnych typów komórek w mózgu i zrozumienie, jak ze sobą współdziałają, ostatecznie pomoże nam odkryć nowe terapie, które będą mogły być ukierunkowane na poszczególne typy komórek istotne dla określonych chorób”.

Rozwój ludzkiego mózgu

.Rozwój ludzkiego mózgu rozpoczyna się w czasie embriogenezy i trwa po urodzeniu, przez niemowlęctwo, dzieciństwo, okres dojrzewania i wczesną dorosłość” – zaznaczył autor jednego z artykułów, dr Panos Roussos, dyrektor Centrum Neurogenomiki Chorób w Icahn Mount Sinai. – „Biorąc pod uwagę zmienny wiek, w którym pojawiają się różne zaburzenia neurorozwojowe, niezwykle ważne jest zbadanie wpływu czynników ryzyka na całe spektrum rozwoju mózgu. Dzięki opracowaniu tego atlasu możemy zyskać głębsze zrozumienie skomplikowanych mechanizmów regulacyjnych, leżących u podstaw rozwoju i chorób mózgu”.

„Stworzyliśmy najbardziej szczegółowe atlasy komórkowe mózgu dorosłego człowieka oraz rozwoju mózgu w pierwszych miesiącach ciąży” – podkreślił prof. Sten Linnarsson z Wydziału Biochemii Medycznej i Biofizyki szwedzkiego Karolinska Institutet. – „Można powiedzieć, że przeprowadziliśmy swego rodzaju spis komórek mózgowych”. Szwedzcy naukowcy przy współpracy amerykańskich przebadali trzy podarowane po śmierci mózgi dorosłych osób, analizując ponad trzy miliony pojedynczych jąder komórkowych z nieco ponad stu obszarów mózgu. Dzięki technice sekwencjonowania RNA, która ujawnia tożsamość genetyczną każdej komórki odkryli ponad 3000 typów komórek. Około 80 procent z nich stanowią neurony, reszta to różne rodzaje komórek glejowych.

„Wiele badań skupiało się na korze mózgowej, jednak największą różnorodność neuronów znaleźliśmy w pniu mózgu” – wskazał profesor Linnarsson. – „Uważamy, że niektóre z tych komórek kontrolują wrodzone zachowania, takie jak odruchy bólowe, strach, agresja i seksualność”.

Szczegóły przeprowadzonego badania

.Okazało się także, że tożsamość komórek odzwierciedla miejsce w mózgu, w którym po raz pierwszy rozwinęły się u płodu. Emelie Braun i Miri Danan-Gotthold z grupy Stena Linnarssona przeanalizowały ponad milion pojedynczych komórek z 27 zarodków na różnych etapach rozwoju (5 do 14 tygodni od zapłodnienia). Badanie umożliwiło naukowcom pokazanie, jak cały mózg rozwija się i z czasem organizuje. W podobny sposób badano również różne rodzaje guzów mózgu, na przykład glejaka wielopostaciowego – nowotwór o złym rokowaniu.

„Komórki nowotworowe przypominają niedojrzałe komórki macierzyste i wygląda na to, że próbują utworzyć mózg, ale w całkowicie zdezorganizowany sposób” – wyjaśnił profesor. – „Zaobserwowaliśmy, że te komórki nowotworowe aktywowały setki specyficznych dla nich genów i interesujące może być zbadanie, czy istnieje potencjał znalezienia nowych celów terapeutycznych”.

Nicola Micali z Yale przeprowadził badania nad rozwojem komórek mózgu makaka

.Badanie prowadzone przez Nelsona Johansena z Allen Institute (USA) obejmowało ocenę zmienności typów komórek mózgowych u 75 dorosłych ludzi poddawanych operacjom z powodu padaczki lub nowotworu i pokazuje, jak komórki mózgowe różnią się u poszczególnych osób. „Nie ma jednego prototypowego człowieka” – mówią Alyssa Weninger i Paola Arlotta. – „Spektrum różnic w zmienności genetycznej i reakcjach środowiskowych istnieje zarówno u zdrowych osób, jak i w stanach chorobowych”.

Badanie prowadzone przez Nikolasa Jorstada pozwoliło porównać jądro pojedynczej komórki u dorosłych ludzi, szympansów, goryli, makaków i rezusów. Udało się wykazać między innymi, że neurony szympansów bardziej przypominają neurony goryli niż neurony ludzi, mimo że szympansy i ludzie mają młodszego ewolucyjnie wspólnego przodka.

Wśród ośmiu artykułów zawartych w pakiecie „Science Advances” prace pod kierownictwem René Wilbersa badają, w jaki sposób szybko rosnące interneurony u ludzi utrzymują częstotliwości szybkiej synchronizacji pomimo większych odległości między neuronami niż u szczurów.

Opublikowane na łamach „Science Translational Medicine” badanie przeprowadzone przez Setha Amenta z University of Maryland (USA) i współpracowników skupia się na zapaleniu we wczesnym okresie życia – klinicznie ustalonym czynniku ryzyka kilku zaburzeń neurologicznych. Badacze skupili się na móżdżku, obszarze mózgu szczególnie wrażliwym na zaburzenia poporodowe. Analizy zespołu ujawniły, że zapalenie wiąże się ze zmianami przede wszystkim w dwóch podtypach neuronów hamujących: neuronach Purkinjego i neuronach Golgiego.

Atlas mózgu będzie bezpłatnie dostępny dla badaczy na całym świecie za pośrednictwem repozytorium online. Specjaliści będą mogli korzystać z danych, skutecznie je wizualizować, i wykorzystywać go do własnych badań – na przykład porównać badane przez siebie choroby mózgu z normalnie rozwiniętym mózgiem.

Mózg może się uczyć w każdym wieku

.„W moim wieku już za późno, żeby uczyć się grać na fortepianie”! „W moim wieku już za późno, żeby uczyć się hiszpańskiego”! Koniec z wymówkami i ze stereotypami! Alice LATIMIER udowadnia, że nasz mózg może uczyć się w każdym wieku. Czego zatem zaczniecie się uczyć dzisiaj? – pyta na łamach „Wszystko co Najważniejsze” – Alice Latimier.

W wieku 55 lat Philippe w końcu znalazł czas dla siebie, po tym jak dzieci opuściły dom rodzinny. A może zacząć się uczyć grać na fortepianie? Zawsze o tym marzył. Ale w wieku 55 lat, mówi sobie, nie jestem już w stanie tego zrobić, jestem zbyt stary, a mój mózg nie jest już taki wydajny jak wtedy, gdy miałem 20 lat…

Nathalie ma 30 lat. By uczynić kolejny krok w karierze zawodowej, musi wybrać pomiędzy ofertą pracy w Niemczech, która jej zbytnio do gustu nie przypada, i w Hiszpanii, którą uważa za wspaniałą. Teraz żałuje: „Powinnam była uczyć się hiszpańskiego, gdy byłam w liceum. Dziś jest już za późno na naukę nowego języka”.

Wiele osób doświadcza tego uczucia bycia zbyt starym, żeby uczyć się czegoś nowego. Ale czy jest ono uzasadnione?

Uczenie się jest, w rzeczywistości, czynnością całego życia. Od najmłodszych lat nasz mózg mobilizuje znaczną część swoich funkcji (skupienie, pamięć, widzenie, słyszenie, motoryka…) po to, abyśmy mogli nabywać nową wiedzę i nowe umiejętności. Jakie mechanizmy pozwalają nam się uczyć? I jak się one zmieniają wraz z upływem lat?

Uczenie się jest dynamicznym procesem poznawczym, który przebiega w dwóch etapach: najpierw następuje pozyskanie nowej informacji, a później, jej zmagazynowanie w pamięci. Proces ten zostawia pewnego rodzaju odcisk w naszym mózgu, jako ślad po przeżytym doświadczeniu. A dokładniej, neurony, które uczestniczą w tym doświadczeniu i pozyskaniu nowej informacji zmieniają sposób, w jaki rozmawiają ze sobą: ich połączenia (synapsy) wzmacniają się lub zanikają.

Czasami zdarza się, że dynamika naszych procesów uczenia się prowadzi, po prostu, do eliminacji niepotrzebnych połączeń neuronowych, na rzecz połączeń „pożytecznych”. Mówi się obrazowo o „przycinaniu” synaps (pruning w jęz. angielskim), tak jak robi się z drzewami, które pozbawia się niepotrzebnych gałęzi. Do „przycinania” synaps dochodzi głównie w dzieciństwie oraz w czasie olbrzymiej rewolucji, jaką jest okres dojrzewania.

Zmiany na poziomie neuronów mają związek z tym, czego się uczymy i są szczególnie intensywne w okresie dzieciństwa. Zdobywamy wtedy dużą ilość wiedzy i rozwijamy nowe kompetencje, takie jak widzenie, dotykanie, chodzenie czy mówienie. Te zdobycze odciskają piętno na całym mózgu, ponieważ uczestniczą w procesie transformacji rozmaitych sieci neuronów. Nic w naszym mózgu nie istnieje trwale.

.Uczenie się pozostawia zatem w naszym mózgu fizyczny ślad. Ten dynamiczny mechanizm nosi nazwę neuroplastyczności bądź plastyczności mózgu. Odkrycie go przez neurobiologów pozwoliło zrozumieć podstawową rzecz: nic w naszym mózgu nie istnieje trwale.

PAP/ Paweł Wernicki/ Wszystko co Najważniejsze/ LW