Unglaublich detaillierte Zellkarten ebnen den Weg für eine neue Generation von Behandlungen. Ein internationales Wissenschaftlerteam hat den genetischen, zellulären und strukturellen Aufbau des menschlichen Gehirns und der Gehirne nichtmenschlicher Primaten kartiert. Durch die Finanzierung durch das Brain Research Advancing Innovative Neurotechnologies Program der National Institutes of Health erlangen Wissenschaftler ein tieferes Verständnis der Gehirnstruktur, was zu einem tieferen Verständnis der zellulären Grundlagen der Gehirnfunktion und -dysfunktion führt und den Weg für eine neue Generation von Präzisionstherapien für Patienten mit psychischen Störungen und anderen Gehirnerkrankungen ebnet.
Forscher haben den genetischen und zellulären Aufbau menschlicher und nichtmenschlicher Primatengehirne kartiert und so Einblicke in die Gehirnfunktion gewonnen und Krankheiten behandelt. Diese Forschung ist Teil der BRAIN-Initiative, die insgesamt 24 Arbeiten veröffentlicht hat und voraussichtlich transformative Fortschritte auf dem Gebiet der Neurowissenschaften erzielen wird.
Diese Forschungsergebnisse wurden in 24 Aufsatzsammlungen in den Zeitschriften „Science“, „Science Advances“ und „Science Translational Medicine“ veröffentlicht.
„Die Kartierung der Gehirnzellen ist ein entscheidender Schritt, um zu verstehen, wie dieses wichtige Organ bei Gesundheit und Krankheit funktioniert“, sagte Joshua A. Gordon, MD, Direktor des National Institute of Mental Health. „Diese neuen detaillierten Zellatlanten des menschlichen und nichtmenschlichen Primatengehirns bilden die Grundlage für die Entwicklung neuer Behandlungen, die auf bestimmte Gehirnzellen und Gehirnschaltkreise abzielen, die an Hirnerkrankungen beteiligt sind.“
Wichtige Erkenntnisse und Erkenntnisse
In dieser neuesten Sammlung von Artikeln des BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) beschreiben 24 Artikel detailliert die ungewöhnlich komplexe Vielfalt der Gehirnzellen im menschlichen Gehirn und bei nichtmenschlichen Primaten. Diese Studien deckten Ähnlichkeiten und Unterschiede in der Art und Weise auf, wie Zellen organisiert sind und Gene im Gehirn von menschlichen und nichtmenschlichen Primaten reguliert werden. Beispielsweise schlugen drei Arbeiten in der Sammlung erstmals einen Zellatlas des erwachsenen menschlichen Gehirns vor und kartierten die Transkription und das Epigenom des Gehirns. Das Transkriptom ist die vollständige Sammlung von Gendaten in einer Zelle, die die Anweisungen zur Herstellung von Proteinen und anderen Zellprodukten enthält. Das Epigenom bezieht sich auf chemische Modifikationen der DNA und Chromosomen einer Zelle, die die Art und Weise verändern, wie die genetische Information der Zelle ausgedrückt wird.
In einer anderen Arbeit ergab ein Vergleich der zellulären und molekularen Eigenschaften des menschlichen Gehirns und der mehrerer nichtmenschlicher Primaten (Schimpansen, Gorillas, Makaken und Weißbüschelaffen) deutliche Ähnlichkeiten in den Typen, Proportionen und der räumlichen Organisation kortikaler Zellen bei Menschen und nichtmenschlichen Primaten. Studien zur Genexpression in Zellen der Großhirnrinde verschiedener Spezies legen nahe, dass relativ kleine Veränderungen der Genexpression über menschliche Abstammungslinien hinweg zu Veränderungen in der neuronalen Verkabelung und der synaptischen Funktion führen, die das menschliche Gehirn plastischer machen und die Fähigkeit des menschlichen Gehirns zur Anpassung, zum Lernen und zur Veränderung unterstützen können.
Eine Studie, die untersucht, wie sich Zellen in verschiedenen Gehirnregionen von Weißbüschelaffen verändern, hat einen Zusammenhang zwischen den Eigenschaften von Zellen im erwachsenen Gehirn und den Eigenschaften dieser Zellen während der Entwicklung festgestellt. Dieser Zusammenhang legt nahe, dass Entwicklungsprogramme in Zellen eingebettet sind, während sie sich bilden, und bis ins Erwachsenenalter aufrechterhalten werden, und dass einige der im Erwachsenenalter beobachtbaren zellulären Eigenschaften möglicherweise schon früh im Leben entstehen. Die Entdeckung könnte zu neuen Erkenntnissen über die Entwicklung und Funktion des Gehirns über die gesamte Lebensspanne führen.
Die Erforschung der Anatomie und Physiologie von Neuronen in der äußersten Schicht des Neokortex hat Unterschiede zwischen menschlichen Gehirnen und Mäusegehirnen ergeben, was darauf hindeutet, dass diese Region ein evolutionärer Brennpunkt sein könnte, wobei Veränderungen beim Menschen höhere Anforderungen an die Regulierung komplexerer Gehirnschaltkreise beim Menschen widerspiegeln.
BICCN ist eine bahnbrechende Initiative zum Verständnis des zellulären Aufbaus des Gehirns. Sein Hauptziel besteht darin, eine umfassende Bestandsaufnahme der Gehirnzellen zu erstellen – wo sie sich befinden, wie sie sich entwickeln, wie sie zusammenarbeiten und wie sie ihre Aktivität regulieren – um besser zu verstehen, wie Gehirnkrankheiten entstehen, fortschreiten und am besten behandelt werden.
„Diese Studienreihe ist ein Meilenstein bei der Aufdeckung der Komplexität des menschlichen Gehirns auf zellulärer Ebene“, sagte Dr. John Ngai, Direktor des NIH Brain Program. „Die durch BICCN geschmiedeten wissenschaftlichen Kooperationen treiben dieses Gebiet exponentiell voran; die Fortschritte und Möglichkeiten sind einfach atemberaubend.“
Die Zählung der Gehirnzelltypen im menschlichen und nichtmenschlichen Primatengehirn, auf die sich dieser Artikel konzentriert, ist ein entscheidender Schritt bei der Entwicklung zukünftiger Gehirnbehandlungen. Diese Erkenntnisse legten auch den Grundstein für das BRAIN Initiative Cell Atlas Network. Das BRAIN Initiative Cell Atlas Network ist ein transformatives Projekt, das zwei weitere Großprojekte verbindet – die BRAIN Initiative Connectivity Across Scales und das Armamentarium for Precision Brain Cell Access –, die darauf abzielen, die neurowissenschaftliche Forschung zu revolutionieren, indem sie die Grundprinzipien aufklären, die den Schaltkreisen zugrunde liegen, die das Verhalten steuern, und neue Ansätze zur Behandlung von Erkrankungen des menschlichen Gehirns liefern.