Понимание того, как формируется мозг ещё до рождения, помогает исследователям приблизиться к ответам на вопросы о причинах неврологических и психических расстройств. Международная команда учёных представила первый вариант атласа развивающегося мозга человека и млекопитающих — проекта, который объединяет данные о том, как клетки зарождаются, созревают и превращаются в сложные структуры, управляющие поведением, эмоциями и движением. Новая карта клеточного развития может стать фундаментом для будущих методов диагностики и терапии заболеваний мозга.
Исследование охватило мозг человека, мыши и приматов. Учёные отслеживали, как разные типы клеток возникают, дифференцируются и переходят в зрелые состояния. Одновременно они фиксировали, какие гены включаются и выключаются в разные моменты развития, отмечая, в каких участках мозга появляются ключевые изменения.
Работа стала частью международной инициативы BICAN — проекта, направленного на создание комплексного клеточного атласа человеческого мозга. Эти данные позволили выявить сотни механизмов, которые определяют раннее развитие нервной системы, а также обнаружить неизвестные ранее типы клеток.
Одно из важнейших открытий — фиксация более 5000 типов клеток в мозге мыши. Учёные предполагают, что в мозге человека их не меньше, а возможно, даже больше благодаря более длительному периоду развития.
"В нашем мозге есть тысячи типов клеток, которые отличаются невероятным разнообразием свойств и функций. Эти разнообразные типы клеток взаимодействуют друг с другом, формируя различные модели поведения, эмоций и когнитивных процессов", — подчёркивает нейробиолог Хункуй Цзэн.
Исследователи также изучили неокортекс, отвечающий за высшие когнитивные функции, и гипоталамус — область, регулирующую сон, настроение, голод, давление и другие жизненно важные процессы.
Ученые выявили гены, которые контролируют развитие мозга, а также нашли общие элементы развития между людьми и животными. При этом обнаружились и уникальные особенности человеческого мозга — например, более длительный период созревания клеток коры, который продолжается с внутриутробного периода до подросткового возраста.
"Развивающийся мозг — невероятно загадочная структура. Теперь у нас есть гораздо более детальное представление о том, из чего состоит развивающийся мозг, благодаря этим атласам", — сказала Апарна Бхадури.
Одно из исследований показало, что часть клеток в опухолях головного мозга напоминает эмбриональные клетки-предшественники. Это указывает на то, что опухоли могут нарушать процессы развития, что приводит к злокачественным изменениям.
"Во-первых, изучая и сравнивая развитие мозга у людей и животных, мы сможем лучше понять специализацию человека. Во-вторых, понимая, как развивается мозг, мы сможем лучше изучить, какие изменения происходят в больном мозге", — сказал Цзэн.
Теперь учёные могут точнее отслеживать, где происходят нарушения при аутизме, СДВГ, шизофрении и других состояниях, формирующихся ещё в процессе развития мозга.
| Характеристика | Развивающийся мозг | Зрелый мозг |
|---|---|---|
| Пластичность | Очень высокая | Умеренная |
| Активные гены | Меняются быстро | Более стабильны |
| Количество типов клеток | Растёт | Стабилизируется |
| Чувствительность к нарушениям | Максимальная | Средняя |
Использовать атлас для сравнения нормального и патологического развития.
Разрабатывать модели заболеваний на основе клеточных карт.
Проверять активность генов-регуляторов и отслеживать их влияние.
Ориентироваться на временную последовательность созревания клеток.
Планировать эксперименты с учётом межвидовых различий.
Ошибка: анализировать только зрелый мозг.
Последствие: пропуск ранних механизмов заболеваний.
Альтернатива: сопоставление данных эмбрионального и взрослого этапов.
Ошибка: полагаться на модель только одного вида животных.
Последствие: неверные выводы.
Альтернатива: использование данных человека, мыши и приматов.
Ошибка: игнорировать генетическую активность во времени.
Последствие: неполные модели развития.
Альтернатива: анализ динамики включения и выключения генов.
Это позволит точнее связывать ранние этапы развития с заболеваниями, которые проявляются только в подростковом или взрослом возрасте. Такой подход может стать основой нового направления — профилактической нейрогенетики.
| Плюсы | Минусы |
|---|---|
| Точный поиск причин заболеваний | Большие объёмы данных |
| Возможность сравнения видов | Сложность интерпретации |
| Новые диагностические подходы | Высокая стоимость исследований |
| Понимание механизмов развития | Требует долгосрочного обновления |
Для изучения нейроразвития, моделирования заболеваний и сравнения видов.
Многие нарушения возникают ещё до рождения, когда формируются ключевые структуры мозга.
Помогает понять, какие гены регулируют развитие и где происходят сбои.
Миф: мозг уже "задан" при рождении.
Правда: он развивается десятилетиями.
Миф: у животных мозг развивается так же, как у человека.
Правда: есть сходства, но человеческий мозг созревает намного дольше.
Миф: атласы нужны только учёным.
Правда: они помогут в разработке реальных методов лечения.
Развитие мозга связано со сном: именно в фазах глубокого сна формируются связи между нейронами. У младенцев эта фаза занимает большую часть суток, что объясняет высокую скорость созревания мозговых структур.
Кора головного мозга развивается дольше всех других структур.
У мышей и приматов есть клетки, аналогичные человеческим, но они созревают быстрее.
Эмбриональные клетки-предшественники могут становиться основой для опухолей.
Первые попытки картировать мозг предпринимались в середине XX века, но тогда учёные работали только с анатомическими структурами. С появлением технологий одноклеточной секвенции и больших вычислительных сетей стало возможно отслеживать развитие клеток по этапам. Предстала новая картина — многослойная, динамичная и уникальная для каждого вида.
Источник: Nature.