Menguraikan gangguan neuropsikiatri menggunakan atlas sel otak manusia

Dalam upaya kolaboratif besar-besaran, para peneliti dari Universitas California San Diego telah memetakan peralihan gen di berbagai jenis sel otak dengan menganalisis lebih dari satu juta sel otak manusia. Penelitian ini, yang merupakan bagian dari Inisiatif BRAIN, menyoroti hubungan antara jenis sel tertentu dan gangguan neuropsikiatri. Mereka juga menggunakan kecerdasan buatan untuk memprediksi dampak varian genetik tertentu yang berisiko tinggi.

Para peneliti memetakan gen-gen kunci dan jenis sel otak yang terkait dengan skizofrenia, gangguan bipolar, penyakit Alzheimer Penyakit dan depresi berat.

Dalam upaya besar multi-institusi yang dipimpin oleh Universitas California San Diego (UCSD), para peneliti menganalisis lebih dari satu juta sel otak manusia untuk menghasilkan peta rinci peralihan gen dalam tipe sel otak, mengungkap hubungan antara tipe sel tertentu. Dan berbagai gangguan neuropsikiatri yang umum. Tim juga mengembangkan alat kecerdasan buatan untuk memprediksi dampak varian genetik individu yang berisiko tinggi di antara sel-sel ini dan bagaimana mereka dapat berkontribusi terhadap penyakit.

Inisiatif BRAIN dan tujuannya

Penelitian rintisan ini, yang dipaparkan dalam jurnal edisi khusus Sains pada 13 Oktober 2023, merupakan bagian dari penelitian otak National Institutes of Health melalui Advanced Innovative Neurotechnologies Initiative, atau BRAIN Initiative, yang diluncurkan pada tahun 2014. Inisiatif ini bertujuan untuk merevolusi pemahaman otak mamalia, antara lain dengan mengembangkan hal-hal baru teknologi. Neuroteknik untuk mengkarakterisasi tipe sel saraf.

Memahami perbedaan seluler

Setiap sel di otak manusia mengandung urutan yang sama DNANamun tipe sel yang berbeda menggunakan gen yang berbeda dan jumlah yang berbeda pula. Variasi ini menghasilkan berbagai jenis sel otak dan berkontribusi terhadap kompleksitas sirkuit saraf. Mempelajari perbedaan jenis sel ini pada tingkat molekuler sangat penting untuk memahami cara kerja otak dan mengembangkan cara baru untuk mengobati penyakit neurologis dan kejiwaan.

Kompleksitas otak manusia

“Otak manusia tidak homogen,” kata ketua peneliti Ping Ren, Ph.D., seorang profesor di UC San Diego School of Medicine. “Mereka terdiri dari jaringan neuron dan sel non-neuronal yang sangat kompleks, yang masing-masing menjalankan fungsi berbeda. Mengidentifikasi berbagai jenis sel di otak dan memahami bagaimana mereka bekerja sama pada akhirnya akan membantu kita menemukan pengobatan baru yang dapat menargetkan jenis sel individu yang relevan dengan penyakit tertentu.”

Temuan utama dari penelitian ini

Dalam studi baru tersebut, tim peneliti menganalisis lebih dari 1,1 juta sel otak di 42 wilayah otak berbeda dari tiga otak manusia. Mereka mengidentifikasi 107 subtipe sel otak yang berbeda, dan mampu menghubungkan aspek biologi molekulernya dengan berbagai penyakit neuropsikiatri, termasuk skizofrenia, gangguan bipolar, penyakit Alzheimer, dan depresi berat. Para peneliti kemudian menggunakan data ini untuk membuat model pembelajaran mesin guna memprediksi bagaimana variasi urutan tertentu dalam DNA memengaruhi regulasi gen dan berkontribusi terhadap penyakit.

Melanjutkan penelitian dan upaya masa depan

Meskipun temuan baru ini memberikan wawasan penting tentang otak manusia dan penyakitnya, para ilmuwan masih jauh dari mampu memetakan otak. Pada tahun 2022, UC San Diego bergabung dengan Salk Institute dan lainnya dalam meluncurkan Pusat Atlas Sel Otak Manusia Poligonal, yang bertujuan untuk mempelajari sel-sel dari lebih dari selusin otak manusia dan mengajukan pertanyaan tentang bagaimana otak berubah selama perkembangan, selama kursus. kehidupan masyarakat, dan Dengan penyakit.

“Memperluas penelitian kami ke tingkat yang lebih detail pada lebih banyak otak akan membawa kita selangkah lebih dekat untuk memahami biologi gangguan neuropsikiatri dan bagaimana gangguan tersebut dapat direhabilitasi,” kata Ren.

Referensi: “Atlas Perbandingan Aksesibilitas Kromatin Seluler Tunggal di Otak Manusia” oleh Yang-Eric Li, Sebastian Pressel, Michael Miller, Nicholas D. Johnson, Zihan Wang, Henry Jiao, Chenxu Zhou, Zhauning Wang, Yang, Nathan Zemke, Sarah Espinoza, Anna Marie Yanni, Julie Niehus, Nick D. , Tamara Kasper, Nadia Shapovalova, Danielle Hirschstein, Rebecca D. Hodge, Sten Lennarsson, Trygve Bakken, Boaz Levy, C. Dirk Keen, Jingbo Zhang, Ed Lin, Allen Wang, M. Margarita Behrens, Joseph R. Eker dan Ping Ren, 13 Oktober 2023, Sains.
doi: 10.1126/science.adf7044

Rekan penulis Yang termasuk Eric Li, Sebastian Pressel, Michael Miller, Zhihan Wang, Henry Jiao, Chensu Zhou, Zhaoning Wang, Yang Xie, Olivier Bouirion, Colin Kern, Lin Lin, Qian Yang, Quan Zhu, dan Nathan Zemke. Sarah Espinoza, Jingbo Zhang, dan Allen Wang dari Universitas California, San Diego, dan Nicholas D. Johnson, Antonio Pinto Duarte, Wei Tian, ​​​​Nora Emerson, Julia Austin, Jacinta Lucero, M. Margaret Burns, dan Joseph R. Eker dari Institut Studi Biologi Salk. Kimberly Sillett dan Steen Linnarsson di Institut Ilmu Otak Karolinka dan C. Dirk Kane masuk Universitas Washington Seattle.

Penelitian ini sebelumnya didukung Institut Kesehatan Nasional (Hibah UM1MH130994, U01MH114812, U54HG012510 dan S10 OD026929), National Science Foundation (Hibah OIA-2040727); dan Nancy and Buster Alford Endowment, Life Sciences Research Foundation, serta hadiah dari Google, Adobe, dan Teradata.