شگفتی های مغز: آیا می توان سلول های مغز را بر اساس کاربردشان طبقه بندی کرد؟

عصب شناس پیشگام، سانتیاگو رامون کاخال، در اواخر قرن نوزدهم شروع به جستجو برای “کاتالوگ اجزای” مغز انسان کرد. نقاشی های ظریف آنها از سلول های مغز، همراه با اتصالات شبکه ای آنها، هنوز در بسیاری از کتاب های آموزشی یافت می شود. قبل از تلاش برای کشف توانایی های چندین نسل از نورون ها، دانشمندان علوم اعصاب باید بخش ها و عملکردهای متعدد هر یک را شناسایی کنند.

این به دلیل تفاوت های بسیار زیاد بین سلول ها بسیار پیچیده است. کاخال به طور خلاصه تفاوت در اندازه سلولهای خاص را ارائه کرده است ، اما در عین حال کارهای بی نظیری را بر روی نسلهای آینده متخصصین مغز و اعصاب انجام داده است. این توصیفگرهای مختلف معمولاً با هم همخوانی ندارند و این منجر به بحث‌های زیادی در مورد چگونگی تعریف انواع سلول شده است. با در دسترس بودن ابزارهایی که سیگنال های ارتباطی عصبی را ضبط می کنند، محققان شروع به طبقه بندی سلول ها بر اساس الگوهای مختلف محرک کرده اند. تخصص معروف به الکتروفیزیولوژی. این تلاش ما را به طبقه بندی عملکرد سلول ها نزدیک می کند ، اما هنوز توصیفی است و رفتار را توصیف می کند ، نه ریخت شناسی.

رفتن به تعریف همه سلول ها که عملکرد آنها را توصیف می کند در سطح ژنوم به پایان می رسد. ساختاری که اساس تمام خواص بیولوژیکی دیگر است. ثمره همه این تلاش ها در برنامه بزرگ و بین المللی BRAIN متعلق به سازمان بهداشت ملی (NIH) دیده شده است. این برنامه یک سرشماری ژنومی از انواع سلول ها در یک قسمت از مغز، قشر حرکتی اولیه را فراهم می کند. بخشی که مسئول کنترل حرکات پیچیده است.

این اطلس به طور یکسان برای موش ها، میمون ها و انسان ها صدق می کند. بنابراین قشر حرکتی به عنوان اولین مرحله در فهرست جامع مغز انتخاب شد که به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته و از نظر گونه ها مشابه است. تیم برنامه که توسط شبکه اقدام سرشماری سلول های مغز (BICCN) رهبری می شود، تلاش های چندین آزمایشگاه به رهبری موسسه آلن برای علوم مغز را ترکیب می کند. یافته های او از 17 مقاله منتشر شده در این هفته طبیعت منتشر شده، منبعی خواهد بود که تلاش‌ها برای درک عملکرد مغز و ارائه بینش در مورد بیماری‌ها و اختلالات مغزی را سرعت می‌بخشد.

این پروژه از کامل ترین مجموعه داده ها برای شناسایی سلول های مغز در یک تلاش واحد استفاده می کند. اسناد تحقیقاتی نشان می‌دهند که چگونه این ابزارها ویژگی‌های سلولی مختلف را اندازه‌گیری می‌کنند و با ترکیب داده‌های یک مقاله اصلی ۱۱ مقاله تکمیلی، اطلسی میانی از انواع سلول‌های مغزی را ارائه می‌دهند. بسیاری از مطالعات دیگر فراتر از قشر حرکتی در مغز موش هستند تا سایر نواحی مغز و شبکه ها را پوشش دهند. تحقیقات دیگر سوالاتی را در مورد چگونگی شکل گیری مغز انسان در طول تکامل و تکامل اولیه مطرح می کند.

این تحقیق در درجه اول بر فناوری “ژنومی” تمرکز دارد. مانند فناوری «ترانس کریپتومیکس» که فعالیت ژن ها را از طریق توالی های RNA در انواع مختلف سلول اندازه گیری می کند. محققان همچنین از تکنیک‌های «اپی ژنومیک» برای ارزیابی نحوه تأثیرگذاری بر فعالیت ژنتیکی بدون تغییر کد ژنتیکی استفاده کردند. محققان از دو تکنیک مشابه استفاده کردند تا ببینند چگونه ژن ها با افزودن گروه های شیمیایی به DNA روشن و خاموش می شوند یا چگونه خواندن DNA را می توان با بازسازی ساختار DNA ساده کرد.

برای طبقه بندی انواع سلول ها ، محققان از داده های ژنومی برای ایجاد مجموعه ای از “حقایق عینی” استفاده کردند. آنها همچنین ویژگی‌های دیگری مانند اندازه و الکتروفیزیولوژی را اندازه‌گیری کردند تا طبقه‌بندی ژنتیکی خود را کمی بیشتر کنند و سپس مناسب بودن آنها را بررسی کردند. اد لین، عصب شناس در انستیتو آلن و یکی از روسای پروژه می گوید: «بین ژن ها و صفات پیوندی وجود دارد، بنابراین چیزی بیش از طبقه بندی است و مبنایی برای توضیح عملکرد سلولی است». برخی از مطالعات از تکنیک های جدید یا قدیمی برای اندازه گیری چندین ویژگی به طور همزمان استفاده کرده اند. “patch-sec” الکتروفیزیولوژی و فعالیت ژنی سلول ها را قبل از بازسازی سه بعدی شکل آنها ثبت کرد. ابزارهای «ترنسکریپتومیک ویژه» که ترکیبی از ژنومیک و تصویربرداری مغز برای انجام فعالیت های ژنی هستند، تشخیص سلول ها و ارائه اطلاعات در مورد توزیع و نسبت انواع سلول ها را ممکن می سازند.

روشهای ردیابی ارتباطات عصبی نیز برای تشخیص شبکه ورودی / خروجی قشر موش استفاده شد. آپارنا بهادوری، دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس و دانشمند پروژه، گفت: «حضور در این مجموعه به این معنی است که تکنیک‌های جدید زودتر پیاده‌سازی می‌شوند، زیرا هنگام رقابت با دیگران با استانداردهای سخت‌گیرانه‌تری آزمایش می‌شوند.

مجموعه داده های پروژه در دسترس عموم است. لین می گوید: «این به اعتبار بخشیدن به منطقه کمک می کند. این پروژه، مانند ژنوم انسان برای ژنتیک، به یک مرجع اساسی برای طبقه بندی انواع سلول تبدیل می شود. درک عوامل این حوزه را به سوال بعدی سوق می دهد. به عنوان مثال، این سلول ها چه کار می کنند؟

این بدون پیشرفت فناوری فهرست جامعی که می‌تواند سلول‌های مغزی فردی را تحریک و کشف کند، ممکن نبود. لین می گوید: «ژنومیک تک سلولی در حال تغییر این حوزه و بسیاری از حوزه های دیگر زیست شناسی است. برخلاف تجزیه و تحلیل بافت، تکنیک های مطالعه تک سلولی تنها در پنج سال گذشته استاندارد شده اند. اندازه گیری و کنترل فعالیت سلول مهم است، زیرا همه سلول ها حاوی DNA هستند، اما انواع مختلف سلول ها از آن به طور متفاوتی استفاده می کنند. فرنا کریان، عصب شناس دانشگاه هاروارد که بر روی تحقیقات بینابینی کار می کند، می گوید: یک ناحیه کوچک از قشر مغز شما می تواند شامل صدها نوع مختلف سلول باشد، و ما باید بدانیم که چگونه هر یک از آنها ژنوم خاص خود را دارند. آنها شغل پیدا می کنند.

تجزیه و تحلیل های جمع آوری شده در طول پروژه یک درخت طبقه بندی شبیه به تصاویر “درخت زندگی” ایجاد کرد. شاخه های بزرگ نشان دهنده گروه های مهم با ریشه های تکاملی مشترک هستند. شاخه اولیه بین سلول های عصبی و سلول های غیر عصبی تمایز می یابد و سلول هایی مانند سلول های خونی را جدا می کند. تقسیم دوم بین انواع سلولهای عصبی و غیر عصبی ، سلولهای عصبی را از انواع سلولهای “حمایت کننده” ، که معمولاً “سلولهای گلیال” نامیده می شوند ، متمایز می کند. سپس نورون‌ها به انواع محرک‌ها تقسیم می‌شوند که احتمال تحریک سلول‌های دیگر را افزایش می‌دهند و انواع بازدارنده‌هایی که عملکرد سلول‌های دیگر را متوقف می‌کنند. این دو دسته اصلی به 24 “زیر کلاس” اصلی تقسیم می شوند که تقریباً در همه گونه ها وجود دارند. آنها را می توان بیشتر به شاخه های نهایی تقسیم کرد – “برگ” درختی به نام “t گونه” (که در آن t اولین حرف رونویسی است، یک ابزار ژنومی برای طبقه بندی انواع سلول). تعداد این خوشه ها بین گونه ها متفاوت است (116 در موش، 127 در انسان، 94 در مارموست). سپس محققان داده های رونویسی از هر سه گونه را ترکیب کردند و 45 نوع رایج T را پیدا کردند. 24 نوع محرک، 13 نوع بازدارنده و 8 نوع سلول غیر عصبی مانند آستروسیت ها و اولیگودندروسیت ها وجود دارد.

شباهت های گونه ها نشان می دهد که این نوع سلول ها نقش مهمی در عملکرد مغز ایفا می کنند. لین می‌گوید: «حفاظت تکاملی شواهد بسیار قوی‌ای است که نشان می‌دهد همه چیز تحت کنترل ژنتیکی دقیق است. بنابراین این عوامل باید برای عملکرد سیستم عصبی مهم باشند. شباهت‌های بین سلول‌های انسان و موش صحرایی بیشتر از مارموست‌ها و موش‌ها است. تحقیق در مورد انواع سلول های betz در انسان که موضوع بسیاری از مطالعات است. این تیم دریافتند که موش‌ها سلولی مشابه با ریشه‌های تکاملی یکسان دارند، اما ویژگی‌های الکتریکی و برخی دیگر از آنها در گونه‌ها متفاوت است. لین می گوید: “آناتومی موش ها شبیه انسان است، اما جزئیات آنها متفاوت است.” در سطح سلولی هم همینطور است. به استثنای چند مورد، شما انواع سلول ها را خواهید دید، اما ویژگی های آنها متفاوت است. این ماهیت تفاوت‌های طبقاتی است». از سوی دیگر سلول‌های جومبار که به دلیل ساختارهای ارتباطی زیبا به این نام خوانده شده‌اند، از نظر گونه‌ها بسیار شبیه هستند.

این داده ها نشان می دهد که محققان توالی های DNA انواع سلول های “خاص” یا سموم مضر را در حیوانات دیگر با استفاده از ابزارهای جاسازی شده “تراریخته” در مهندسی ژنتیک در موش ها مورد هدف قرار دادند. کرینن می‌گوید: «رویکردهای تراریخته برای مدل‌های ماوس تعبیه‌شده مؤثر هستند». دستگاه های مبتنی بر ویروس ، که می توانند در موش ها نیز استفاده شوند ، که می توانند به عنوان راهی برای ارائه ژن ، عوامل کنترل یا جهش به حیوانات بدون جعبه ابزار ژنتیکی مورد استفاده قرار گیرند. “به عنوان مثال ، نخستی های غیرانسانی.” بنابراین توانایی هدف قرار دادن سلول‌ها ابزارهای بسیاری را برای همه چیز از مطالعه رشد مغز گرفته تا تشریح مدارهای عصبی فراهم می‌کند. کرینن می‌گوید: «اکنون که می‌دانیم بسته به سلول‌ها احتمالاً کدام ژن‌ها به‌طور متفاوتی مورد استفاده قرار می‌گیرند، می‌توانیم ابزاری با دقت در سطح سلولی ایجاد کنیم که مدت‌هاست در رویای آن بودیم.»

درک اینکه کدام ژن و کدام توالی ژنتیکی که فعالیت سلولی را کنترل می‌کند، مختص انواع سلول‌های مختلف است، به محققان در درک بیماری کمک می‌کند. لین می‌گوید: «این تأثیر زیادی بر بیماری‌ها خواهد داشت، زیرا اکنون می‌توانیم روی آنها در سطح فیزیکی تمرکز کنیم». “جهش های ژنتیکی کجا روی سلول ها تاثیر می گذارد؟” دانستن اینکه تا چه حد ویژگی‌های مربوط به بیماری گونه‌های مختلف مشابه هستند نیز بر انتخاب مدل‌های حیوانی تأثیر می‌گذارد. این یک سوال بزرگ برای تحقیقات بیولوژیکی است. به عنوان مثال، آیا مطالعه موش ها مربوط به انسان است؟ کرینن می‌گوید: «اگر عوامل کنترل مربوطه حفظ نشود، مدل روان‌پریشی در موش‌ها می‌تواند بینش‌های مورد نیاز ما را به ارمغان آورد.

گزارش های مختلف حجم زیادی از داده ها را ارائه می دهند، اما جزئیات مهمی هنوز در دسترس نیست. بوتوند رزکا ، عصب شناس در دانشگاه بازل و یکی از اعضای پروژه ، می گوید: “مهمترین چیزی که از دست رفته پروتئین است. تنها دلیلی که ما ژن ها داریم این است که پروتئین ها را کد می کنند. “این مکانیسم نهایی سلول ها است.” فناوری های پروتئینی در دسترس هستند، اما به وضوح به صورت تک سلولی هستند. همچنین مشخص نیست شرایط مختلف چه تاثیری بر این داده ها دارد. روسکا می گوید: “فعالیت ها تأثیر زیادی بر وضعیت ژن ها دارند.” “شما باید مغز را تحت شرایط مختلف جستجو کنید تا نشان دهید که انواع سلول ها در شرایط مختلف ثابت می مانند.” به گفته وی، این مشارکت تازه آغاز راه است. “این اولین قدم بسیار مهم است، اما نوع سلول های مغزی هنوز راه درازی در پیش دارد تا بتوان واقعاً استانداردسازی کرد. این یک الگو است؛ یک فرض منطقی است، اما اکنون آماده است تا توسط آن مورد سوال، آزمایش و اصلاح قرار گیرد. کل جامعه علمی.”

در کوتاه مدت ، هدف این پروژه جاسازی داده ها در فضای سه بعدی است. بدوری می گوید: «اطلس فقط تعداد انگشت شماری از شاخص های GPS نیست، بلکه باید روی نقشه نشان داده شوند. “این یک عملکرد دگرگون کننده است، زیرا مکان سلول های مغز بسیار مهم است و چیزهای زیادی در مورد رابطه بین عملکرد و مکان نمی دانیم.” بودجه گام بعدی بعدی در پروژه ای به نام BICAN (BRAIN Atlas Network Action) ، که هدف آن ورود به مغز افراد غیر انسانی و غیر انسانی است ، قبلاً تأمین مالی شده است. لین می‌گوید: «ما واقعاً توانسته‌ایم بر پیچیدگی این بخش از مغز غلبه کنیم. اکنون می‌خواهیم این را به مغز موش‌ها و مغز نخستی‌های غیرانسان و کل مغز انسان گسترش دهیم.»