Os pesquisadores criaram um mapa celular inovador do cérebro de um mamífero, detalhando mais de 5.300 tipos de células no cérebro de um rato adulto. Este atlas, derivado de extensa pesquisa, é um passo significativo na compreensão da função e da evolução do cérebro e é uma promessa para tratamentos precisos de distúrbios cerebrais. Crédito: SciTechDaily.com
Atlas de alta resolução mapeia vizinhanças neurais para mais de 5.300 tipos de células.
Seis anos e 32 milhões de células depois, os cientistas criaram o primeiro mapa celular completo do cérebro de um mamífero. Em um conjunto de 10 papéis em Natureza hoje, uma rede de pesquisadores revelou um atlas que cataloga a localização e o tipo de cada célula do cérebro de um rato adulto. Usando tecnologias avançadas que traçam o perfil de células individuais, as equipes identificaram mais de 5.300 tipos de células – muito mais do que se sabia antes – e identificaram suas localizações na intrincada geografia do cérebro.
Revelando a arquitetura complexa do cérebro
Ter uma “lista de peças” completa do cérebro ajudará a acelerar os esforços para desvendar como ele funciona, disse Hongkui Zeng, Ph.D., vice-presidente executivo e diretor do Allen Institute for Brain Science.
“Esta é uma conquista histórica que realmente abre as portas para o próximo estágio de investigações da função, desenvolvimento e evolução do cérebro, semelhante aos genomas de referência para estudar a função genética e a evolução genômica”, disse Zeng, que liderou um dos estudos. “Meus colegas disseram que os 5.000 tipos de células que identificamos manterão os neurocientistas ocupados durante os próximos 20 anos tentando descobrir o que esses tipos de células fazem e como eles mudam nas doenças”.
Classificação detalhada e distribuição de tipos de células em todo o cérebro do rato com base na expressão de seus genes. Mais de 5.000 tipos de células foram identificados e podem ser agrupados com base na semelhança entre si. Cada um dos grupos foi plotado como uma UMAP para destacar as relações entre os tipos de células em grupos específicos e cada grupo pode ser atribuído a uma localização anatômica específica. Crédito: Instituto Allen
O trabalho coletivo é um alicerce para o Instituto Nacional de SaúdeRede de Censo Celular da Iniciativa BRAIN, ou BICCN. Centenas de pesquisadores contribuíram para o projeto, que foi financiado pelo NIH Pesquisa cerebral através do avanço inovador Neurotecnologias® (BRAIN) Initiative, ou The BRAIN Initiative®.
“Onde estávamos anteriormente na escuridão, esta conquista marcante ilumina uma luz brilhante, dando aos investigadores acesso à localização, função e caminhos entre tipos de células e grupos de células de uma forma que não poderíamos imaginar anteriormente”, disse John Ngai, Ph. D., Diretor da Iniciativa NIH BRAIN. “Este produto é uma prova do poder desta colaboração transversal e sem precedentes e abre o nosso caminho para tratamentos cerebrais mais precisos.”
Vinculando a genética à geografia do cérebro
Combinando células únicas ARN sequenciamento com transcriptômica espacial – métodos para determinar quais genes são expressos em células individuais e onde essas células estão localizadas – Zeng e seus colaboradores revelou a surpreendente complexidade e diversidade do cérebro.
Uma das principais revelações do atlas é a profunda ligação entre a identidade genética de uma célula e a sua posição espacial, disse Zeng. Esta relação sublinha como funcionam as formas de localização, oferecendo pistas sobre a história evolutiva e as intrincadas interações de diferentes regiões do cérebro.
“Estamos vendo os blocos de construção dos circuitos cerebrais”, disse ela. “A organização do cérebro provavelmente reflete a sua história evolutiva.”
Uma descoberta intrigante é a organização celular distinta entre as partes inferior (“ventral”) e superior (“dorsal”) do cérebro. Enquanto a parte ventral antiga apresenta um mosaico de células inter-relacionadas, a parte dorsal mais recente contém menos tipos de células, mas altamente divergentes. Esta distinção pode ser a chave para decifrar como diferentes regiões do cérebro desenvolveram papéis únicos, por exemplo, a parte ventral para a sobrevivência básica e a parte dorsal para a adaptação, disse Zeng.
Desvendando os segredos da comunicação celular
Os investigadores também descobriram que os factores de transcrição – proteínas que regulam a actividade genética – compreendem um “código” que especifica a identidade de uma célula.
O atlas também descobriu como as células cerebrais conversam entre si através de um conjunto diversificado de moléculas sinalizadoras, que transportam mensagens de célula para célula. Essa diversidade permite interações complexas entre diferentes tipos de células.
O forte alinhamento entre conjuntos de dados genômicos, epigenômicos e espaciais coletados de forma independente fornece alta confiança de que este atlas mapeia mais do que apenas identidades celulares – ele captura os verdadeiros modelos organizacionais subjacentes ao desenvolvimento do cérebro dos mamíferos, disse Zeng.
O caminho a seguir: aplicativos e extensões
Olhando para o futuro, o atlas pode servir de modelo para mapeamentos semelhantes nos cérebros de outros espécies– ou seja, o nosso. Esse trabalho já está em andamento.
Ele também fornece um guia para atingir geneticamente tipos de células específicas, permitindo ferramentas para estudar funções e doenças específicas. Isso poderia abrir caminho para tratamentos de precisão, disse Zeng.
“Sabemos que muitas doenças têm origem em partes específicas do cérebro e, provavelmente, em tipos de células específicos”, disse ela. “Com este mapa em mãos, podemos obter uma visão mais precisa da disfunção da doença e então criar ferramentas genéticas ou farmacológicas para atingir esses tipos de células específicos, para alcançar maior eficácia e efeitos colaterais mínimos”.
Contribuições para a pesquisa da medula espinhal
Cientistas do Allen Institute também co-lideraram um estudo para criar um mapa detalhado dos neurônios que conectam o cérebro à medula espinhal, possibilitando movimento e modulação sensorial. Neste estudo, uma equipe liderada por Zhigang He, Ph.D., e Carla Winter, MD, Ph.D., de Harvard, fornece a caracterização mais aprofundada desses neurônios de projeção espinhal (SPNs) até o momento. Ao integrar as identidades moleculares e as localizações destes neurónios num atlas, os cientistas obtêm informações sobre como esta intrincada rede controla a função e o movimento. “E tendo um mapa básico desses tipos de células, podemos agora estudar como lesões na medula espinhal ou derrames os alteram e, esperançosamente, desenvolver terapias direcionadas”, disse Winter.
Os cientistas do Allen Institute contribuíram para cinco outros estudos, incluindo:
- Um atlas espacial de tipos de células em todo o cérebro do rato. Neste estudo, liderado por Xiaowei Zhuang, Ph.D., de Harvard, os cientistas usaram perfis transcriptômicos espacialmente resolvidos de> 1.100 genes para revelar a organização espacial de> 5.000 clusters transcricionalmente distintos em todo o cérebro do rato. O registro do atlas celular na Estrutura de Coordenadas Comuns de Allen permite a quantificação da composição e organização do tipo celular em cada região do cérebro. O mapa espacial de alta resolução revela interações célula-célula e bases moleculares entre centenas de pares de tipos de células.
- Uma comparação de programas de regulação genética em diferentes espécies, incluindo humanos. Neste estudo, os pesquisadores analisaram certas regiões do ADN que agem como interruptores, ligando ou desligando genes e controlando a identidade de uma célula. A equipe descobriu que os chamados genes saltadores – sequências de DNA que podem flutuar pelo genoma – constituem a maior parte dos “interruptores” específicos do ser humano no neocórtex. Como estas mesmas regiões também podem estar envolvidas em doenças neurodegenerativas, estudos adicionais poderão apontar o caminho para novas terapias, disseram os autores. “Estes dados são uma mina de ouro para os geneticistas que agora podem começar a descobrir a base molecular de características complexas como a esquizofrenia”, disse Bing Ren, Ph.D., da UCSD, que co-liderou o estudo com Joseph Ecker, do Salk Institute, Ph.D.
Referências:
“Atlas de células molecularmente definidas e espacialmente resolvidas de todo o cérebro do rato” por Meng Zhang, Xingjie Pan, Won Jung, Aaron R. Halpern, Stephen W. Eichhorn, Zhiyun Lei, Limor Cohen, Kimberly A. Smith, Bosiljka Tasic, Zizhen Yao , Hongkui Zeng e Xiaowei Zhuang, 13 de dezembro de 2023, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06808-9
“Programas regulatórios de genes conservados e divergentes do neocórtex de mamíferos” por Nathan R. Zemke, Ethan J. Armand, Wenliang Wang, Seoyeon Lee, Jingtian Zhou, Yang Eric Li, Hanqing Liu, Wei Tian, Joseph R. Nery, Rosa G. Castanon, Anna Bartlett, Julia K. Osteen, Daofeng Li, Xiaoyu Zhuo, Vincent Xu, Lei Chang, Keyi Dong, Hannah S. Indralingam, Jonathan A. Rink, Yang Xie, Michael Miller, Fenna M. Krienen, Qiangge Zhang , Naz Taskin, Jonathan Ting, Guoping Feng, Steven A. McCarroll, Edward M. Callaway, Ting Wang, Ed S. Lein, M. Margarita Behrens, Joseph R. Ecker e Bing Ren, 13 de dezembro de 2023, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06819-6
