脳を完成した臓器としてではなく、建設中の都市として観察することを想像してみてください。そこでは、すべてのニューロンが労働者であり、スカイラインが上昇するにつれて仕事を変えます。
の一連の論文 自然 11月5日に出版された本は、まさにそれを捉えています。米国のアレン脳科学研究所の研究者が主導し、US BRAIN Initiative のパートナーと協力して、科学者たちは、脳の主要細胞であるニューロンとそれを支えるグリアが、マウスからヒトに至る種を超えてどのように形成され、移動し、専門化するかをグラフ化した。
新しいマップでは、脳を部品の固定されたカタログとして扱うのではなく、生きた連続体、細胞が成熟し、接続し、ネットワークを構築するにつれて点滅する遺伝子パターンのタイムラプスとして描写されています。
これらの研究は、時代や種を超えた脳の発達に関する統一的な見解を初めて提供します。以前の取り組みは、ラボが異なる方法を使用し、異なるステージをサンプリングしたり、別々の領域に焦点を当てていたため、比較するのが困難でした。 BRAIN Initiative チームは、プロトコルを標準化し、新しいシーケンスおよびイメージング ツールを構築し、マウス、マーモセット、およびヒトの組織からのデータを調整するための共有計算パイプラインを作成することで、この問題を解決しました。これらは現在、ニューロンとグリアがどのように出現して回路に組み立てられるかについての共通の参考資料を提供しています。
アレン研究所所長のホンクイ・ゼン氏は、これは空間、時間、種を越えてデータを統合する「発達神経科学の新時代」の到来を告げるものであると述べた。 6つの連携した研究は、遺伝子が脳の複雑な回路をどのように組み立てるかについて彼女が「共通の参考資料」と呼ぶものを提供し、今後何年にもわたって神経科学の方向性を導く可能性が高いガイドとなる。
古い地図が不十分だった場所
何十年もの間、脳地図帳はニューロンを固定されたカテゴリーに属しているかのように扱ってきました。新しいデータセットは、発生中の細胞が緩やかな移行を経て、遺伝子活性パターンが急激に変化するのではなく段階的に変化することを示し、この見解を覆しました。
曾博士の研究室の一つでは 研究彼女のチームは、マウスの脳が成熟するにつれて、若いニューロンが中間段階を通過し、初期の細胞型と今後の細胞型の両方の特徴が混在することを発見しました。
「境界は決して明確ではありません」とゼン博士は言う。
カリフォルニア大学サンフランシスコ校のトマシュ・ノヴァコウスキー准教授は、著書の中で次のように述べています。 人類血統アトラス 人間の脳の発達も同様の道をたどったということです。彼のチームは、培養されたヒト胎児脳組織内の個々の幹細胞の子孫を追跡することにより、脳の構築細胞である放射状グリアが最初に信号を活性化するニューロンを生成し、次に信号を静めるニューロンを生成することを発見した。
この段階的な変化は、以前の単一時点のマップでは確認できなかったもので、ニューロンが一度に成人としてのアイデンティティを獲得するわけではないことを裏付けています。
具体的には、2 つの研究を合わせて、発達中のニューロンは単一の安定したアイデンティティを保持していないことを示しました。それらの遺伝子活性は、成熟するにつれて徐々に変化し、ある定義されたタイプから別のタイプに飛び移るのではなく、中間段階を通過します。
細胞の旅
Nowakowski 博士は、ウイルス バーコーディングを使用して、培養ヒト胎児脳組織の細胞系統を追跡しました。この技術は、各幹細胞に独自の遺伝子ラベルをタグ付けする無害なウイルスに依存しているため、研究者はその子孫をすべて追跡できるようになります。
次に彼のチームは、単一細胞 RNA シーケンスを適用して、発生中の各ニューロンでどの遺伝子が活性であるかを測定しました。
研究チームはまた、空間プロファイリングを使用して、3D マップにピンを戻すのと同じように、これらの遺伝子読み出し情報を組織内の正確な位置に戻しました。これらの方法を組み合わせることで、個々の細胞がどのように分裂、分化し、発達経路に定着したかを示す時間分解記録が作成されました。
これらの各ステップは、1 つの細胞がどのようにして多数になるかを示し始めました。ノヴァコウスキー博士は、人間の死後の脳から採取したDNA分析では、彼のチームが培養物で観察したのと同じ発達の変化が示され、そのパターンが実験室システムの人工産物ではないことが確認されたと述べた。
Zeng 博士の計算アトラスは、発達の移行をより正確に定義する方法を追加しました。彼女のチームはアルゴリズムを使用して、ニューロンの遺伝子活性プロファイルが異なる細胞段階として認定されるほど変化した時期を検出し、以前の主観的な判断を定量的な基準に置き換えました。
最後に、イェール大学のロン・ファン教授のチームは、欠けていた次元「場所」を追加した。彼らの中で 空間トライオミクスアトラス研究者らは、発達中の脳組織の薄く保存されたスライスで、どの遺伝子が活性であるか、周囲の DNA がどの程度アクセス可能か、各細胞がどのタンパク質を産生するかという 3 種類の分子情報を測定しました。次に、各測定値を組織内の細胞の正確な位置に関連付けました。これにより、異なる分子パターンがどこに現れるのか、時間の経過とともに隣接する細胞がどのように変化するのかを確認できるようになりました。
これらのアプローチを総合すると、研究者らは、細胞を孤立した瞬間に捉えるのではなく、時間と空間の両方で発生中の細胞を追跡できるようになりました。
新しいアトラスを読む
これらのアトラスを組み合わせることで、数十億の個々の細胞の決定が脳の並外れた多様性をどのように形成するかを理解するための扉が開かれました。
アレン研究所の研究者シンディ・ヴァン・ヴェルトーベンはマウスの一部だった 勉強 それは、前脳が形成されるにつれて、抑制性ニューロン（脳の活動を落ち着かせたりバランスをとったりする細胞）がどのように多様化し、移動するかを追跡したものです。研究チームは、さまざまな時期に多様化した抑制系統を発見し、一部は後で出現し、いくつかの地域に分布しており、晩期作用型の役割を示唆している。
ノヴァコウスキー博士のヒト アトラスは、彼の研究に基づいて、この回路の補完的な側面、つまり神経活動を増加させる興奮性ニューロンを追跡しました。 2 つの研究を合わせて読むと、脳の興奮と抑制という相反するシステムが、遺伝子発現の継続的で重複する経路を通じてどのように形づくられるのかが明らかになります。
それらの同じ分子ネットワークには進化の深いルーツがあるようで、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の准教授であるアレックス・ポーレン氏が研究したアイデアです。
皮質層ニューロンの成熟と稀突起膠細胞の分化と髄鞘形成を強調する出生後のマウス脳の空間マルチオミクス マップ。 |写真提供者: イェール大学の Di Zhang。 Zhang et al.、Nature (CC BY)
で 異種間分析ポレン博士らは哺乳類の遺伝子活性を比較し、かつては霊長類に特有だと考えられていたニューロンのタイプであるTAC3介在ニューロンが、その存在量や分子プロフィールは異なるものの、感情やホルモンシグナル伝達の調節に役立つことが多くの哺乳類系統に存在することを発見した。
「祖先の共通性を示す最も強力な証拠は、有袋類から霊長類まで幅広く調べることで得られた」とポーレン博士は述べた。
これらすべての発見は、進化がまったく新しいニューロンを作成するのではなく、既存のニューロンのタイプを変更する傾向があることを示しています。ヒトにも同様の発生経路が存在しますが、より長い時間をかけて進行するため、細胞が多様化して複雑な回路を形成するための時間がより長くなります。
種を超えて、根底にあるパターンは一貫しています。つまり、発達プログラムは、脳の配線を構築するために置き換えられるのではなく、再利用および調整されます。
すべてをひとつにまとめる
個々のアトラスが整備されたことで、コンソーシアムは最後の一歩を踏み出しました。メタアトラス内 プロジェクト ノヴァコウスキー博士、ゼン博士、カリフォルニア大学ロサンゼルス校のトレーニングプログラム指導者アパルナ・バドゥリ氏が率いる研究者らは、マウス、マーモセット、人間の脳から得た発生データを調整し、種を超えて細胞の状態を比較できる共通の基準を作成した。
Zeng博士は、「脳組織、特に発達の主要段階からのヒトサンプルの不足が、現時点での最大の制限である可能性がある」と認めた。
彼女は、こうしたギャップを克服するには、データとその分析に使用されるツールの両方を常に改善することが必要であると述べ、「分類法を厳格に扱うべきではなく、新しい知識を得るにつれて分類法を改良し続ける必要があります。」と述べました。
バドゥリ博士の目標は、現場全体が使用できる共有リソースを構築することです。
「この参照データがあることは、この分野にとって素晴らしい機会です」と彼女は言いました。 「これにより、この分野を前進させるための共通の遺伝子署名、細胞名、分析ツールが得られるようになります。」
彼らのプロジェクトは、脳マッピングを完成品としてではなく、集合的な継続的な取り組みとして扱います。 Zeng 博士が言うように、目的は地図を完成させることではなく、全員が同じ座標を使用できるようにすることです。
地図から医学まで
神経科学者にとって、これらのマップは、初期の発達がその後の脳機能の条件をどのように設定するかをより明確に示します。これらは、妊娠中に重要な遺伝経路がいつオンまたはオフに切り替わるか、そしてその変化が細胞を特定の役割にどのように導くかを示しています。
アトラスは、神経発達障害に関連する多くの遺伝子が高度に活性化する発達期間を強調しており、これは研究者が小さな混乱が長期的な影響を与える可能性が最も高い時期を特定するのに役立つ可能性がある。自閉症やてんかんなどの症状は、後年に起こる障害ではなく、発達初期のタイミングの変化が関係していると考えられています。
ノヴァコウスキー博士は、次のステップは、彼のチームが観察した発達上のスイッチが他のシステムでも起こるかどうかをテストすることだと述べた。人間以外の霊長類は「最も近いものかもしれない」と彼は指摘した。 生体内 「オルガノイドは別の新しいモデル」であり、結果が一致するかどうかを確認することを楽しみにしていると彼は述べた。
遺伝学やタイミングを超えて、周囲の組織環境も細胞の成熟方法に影響を与えます。ファンが作成した空間アトラスでは 他研究チームは遺伝子とタンパク質の活性マップを比較し、発生シグナル伝達が強い領域の細胞はより早く成熟するのに対し、静かな領域の細胞はよりゆっくりと発達することを発見した。彼らが損傷した組織を検査したところ、脳は発生初期に見られたものと同様の遺伝子活性パターンを活性化し、成長と修復の間に共通のメカニズムが存在することを示唆した。
研究者らは、細胞の到着が早すぎたり、成熟が早すぎたり、異常な場所に定着したりするなど、発生事象が誤った時期または誤った場所で発生した場合に多くの神経学的症状が生じるとの考えを強めています。新しいアトラスでは、小さな混乱が長期的な影響を与える可能性がある特定の段階を示し、これらの脆弱な時期を特定しやすくしています。
仕事はまだ先だ
一部のニューロンタイプは、短期間しか出現しないか、最近の活動後や特定の行動状態中など、特定の条件でのみその定義遺伝子のスイッチをオンにします。 Van Velthoven 博士は、そのような一時的なニューロンや条件特異的なニューロンは、今日のデータセットでは「おそらく見られないままである」と述べています。
Zeng博士は、この旅はまだ終わっていないことに同意し、「脳の外層である皮質と、運動と感情を調整する皮質下のより深い領域の両方を含む脳全体に私たちの研究を拡張することが最初のステップとなるだろう。」と述べた。
「脳が最終的にどのように出現するかについて、より詳細な枠組みを構築するには、より多くの時点と脳領域が必要です」とバドゥリ博士は述べた。
これらのギャップが総合すると、この分野の次のステップ、つまり、より広い脳領域、より多くの発達段階、現在の方法では見逃されている細胞タイプを捕捉するためのより高密度のサンプリングを定義します。
アニルバン・ムコパディヤイは、ニューデリー出身の訓練を受けた遺伝学者であり、科学コミュニケーターでもあります。