Ученые составили атлас нейронов первичной моторной коры млекопитающих
Объединение из тринадцати лабораторий проекта BRAIN Initiative — Cell Census Network представило атлас нейронов первичной моторной коры млекопитающих, который основан на анатомических, транскриптомных, эпигенетических и электрофизиологических данных о клетках. Данные получены для мозга человека, мармозетки и мыши. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Мозг состоит из десятков миллиардов нейронов, которые сообщаются друг с другом сотнями триллионов синапсов. Вместе с другими клетками мозга нейроны формируют сети, лежащие в основе мышления и поведения. Чтобы подробно изучать эти процессы нужно описать и классифицировать нейроны сети. На протяжении последних десятилетий для этого нейроны делили на типы — согласно простым морфологическим и электрофизиологическим маркерам. Однако сейчас становится ясно, что такое разделение часто не отражает реальной картины сложности и неоднородности нейронных сетей.
С развитием новых методов биологи могут собирать все больше разнообразных данных об отдельных нейронах — секвенирование ДНК и РНК, эпигенетические данные, пространственная структура генома, картирование, электрические свойства. Сбор таких данных об участках мозга поможет точно описать нейроны, их взаимодействия и связь с когнитивными процессами.
Исследователи проекта BRAIN Initiative — Cell Census Network (BICCN), состоящего из тринадцати лабораторий по всему миру, собрали такие данные для нейронов первичной моторной коры — участка, в котором происходит контроль движений и двигательное обучение. Ученые исследовали клетки трех млекопитающих: мыши, мармозетки и человека.
Чтобы заново классифицировать нейроны, ученые объединили данные по секвенированию РНК отдельных клеток и отдельных ядер, метилированию ДНК и исследованию доступного хроматина. Все три типа данных описывают активность генов на разных уровнях. По этим параметрам удалось выявить 45 общих для трех животных типов клеток: 24 ГАМК-эргических, 13 глутамат-эргических и восемь ненейронных. При этом профили активности генов больше коррелировали между нейронами человека и обезьяны, чем человека и мыши — что согласуется со степенью эволюционного родства.
Затем из полученных данных биологи создали пространственную карту нейронов мозга мыши. Для этого использовали технологию MERFISH — метод визуализации отдельных клеток по молекулам РНК. Этот подход позволил выделить 95 кластеров клеток, все из которых хорошо согласовывались с данными по активности генов.
Биологи получили пространственные характеристики MERFISH и другие данные для нейронов человека и мармозетки (например, об электрической активности и связях с другими клетками). Их и использовали для построения якорной модели атласа мозга млекопитающих — а в качестве якоря использовали данные мыши.
Биологи строят карты мозга не только на уровне отдельных клеток, но и исследуют представление в нем внешних стимулов. Так, например, недавно удалось построить карту вкусов на основе фМРТ или даже разметить мозг по участкам тела — оказалось, что в такой карте больше всего места занимают губы.
Анна Муравьева
Это облегчило симптомы поражения мышц и нервов
Выращивание дрозофил с дефектом первого комплекса дыхательной цепи в среде с комбинацией 5-аминолевулиновой кислоты, гидрохлорида и железа натрия цитрата (5-ALA-HCl + SFC) увеличивает выработку АТФ за счет повышения активности второго и четвертого дыхательных комплексов. Активность первого комплекса при этом не меняется. Кроме того, у дрозофил снижалось накопление лактата и пирувата, которое происходит при дефекте первого комплекса, что, по-видимому, облегчало симптомы поражения мышц и нервов. Исследование опубликовано в Human Molecular Genetics. В митохондриях происходит окислительное фосфорилирование — многоэтапный процесс, в ходе которого окисляются восстановительные эквиваленты — восстановленные никотинамидадениндинуклеотид (НАДН) и флавинадениндинуклеотид (ФАДН2), — и вырабатывается АТФ. Происходит последовательный перенос электронов по дыхательной цепи — группе дыхательных ферментов в мембране митохондрии. Всего в цепи участвует пять комплексов дыхательных ферментов. Нарушение переноса электронов по дыхательной цепи сопровождается снижением выработки АТФ и вызывает митохондриальные заболевания. Наиболее часто «ломается» первый комплекс — НАДН-КоQ-оксидоредуктаза, или НАДН-дегидрогеназа. Его дефицит поражает органы и ткани с высокими энергетическими потребностями, таких как мозг, сердце, печень и скелетные мышцы. Обычно это проявляется тяжелыми неврологическими синдромами: например, наследственная оптическая нейропатия Лебера, синдром MELAS или синдром MERRF. Хотя первый комплекс отвечает за поступление наибольшего количества электронов в дыхательную цепь, второй комплекс — ФАД-зависимые дегидрогеназы, — работая параллельно с первым, также отвечает за вход электронов в цепь, передавая их, как и первый комплекс на убихинон (коэнзим Q). Потенциально повышение активности второго комплекса могло бы нивелировать снижение активности первого. Поскольку второй, третий и четвертый дыхательные комплексы и цитохром с содержат гемовые структуры, команда ученых под руководством Канаэ Андо (Kanae Ando) из Токийского столичного университета решили проверить, насколько эффективно будет применение предшественника гема 5-аминолевулиновой кислоты для повышения активности этих комплексов и восстановления синтеза АТФ у дрозофил с дефектом первого комплекса. Сначала ученые отключили у дрозофил ген, гомологичный NDUFAF6 и ответственный за экспрессию одного из регуляторных белков первого комплекса. У таких дрозофил мышцы были тоньше, хрупче и иннервировались хуже, чем у насекомых без нокдауна гена. Кроме того, самцы с неработающим геном погибали намного быстрее самок, и у них развивались более грубые нарушения опорно-двигательного аппарата. Затем ученые проанализировали как нокдаун гена первого комплекса влияет на экспрессию и активность других комплексов. Выяснилось, что нокдаун увеличивает экспрессию генов третьего и пятого комплексов, и снижает — четвертого. При этом активность второго и четвертого комплекса значительно повышалась после нокдауна у самок дрозофил. Ученые не обнаружили нарушений в процессах утилизации активных форм кислорода, однако у дрозофил обоих полов без работающего гена первого комплекса накапливался лактат и пируват. Чтобы проверить влияние комплекса 5-аминолевулиновой кислоты, гидрохлорида и железа натрия цитрата (5-ALA-HCl + SFC) на митохондрии дрозофил с нокаутированным геном, их выращивали в среде, содержащей этот комплекс. Такое воздействие значительно повышало уровни АТФ у самцов и самок дрозофил, при этом количество копий митохондриальной ДНК не изменялось, то есть препарат не увеличивал количество митохондрий. Экспрессия и активность дефектного первого комплекса никак не изменились, а активность второго и четвертого комплексов выросли у самцов. В целом, повышенная экспрессия генов третьего комплекса и активность второго и четвертого комплексов смягчали дефектные фенотипы. Помимо этого 5-ALA-HCl + SFC снижало накопление лактата и пирувата у самцов и самок с нокдауном гена первого комплекса, что потенциально смягчает метаболические нарушения, вызванные дефицитом первого комплекса. У самцов и самок мух-дрозофил, которых лечили 5-ALA-HCl + SFC, наблюдалось меньше дефектов опорно-двигательного аппарата, а продолжительность их жизни значительно увеличилась. Ученые рассчитывают проверить эффект такого лечения на животных с более сложным строением, чтобы подтвердить универсальность такого подхода к лечению митохондриальных нарушений. Не всегда нужна мутация, чтобы нарушить работу дыхательной цепи. Недавно мы рассказывали про то, что большое количество натрия из потребляемой соли нарушает дыхательную цепь митохондрий в регуляторных Т-лимфоцитах. Это приводит к активации аутоиммунных процессов.