Исследователи определили полную серию из 10 факторов, которые регулируют развитие типов клеток мозга в зрительной системе плодовых мушек, включая порядок развития этих нейронов. Выводы, опубликованные в журнале Nature, открывают новые направления исследований, чтобы понять, как развивалось развитие мозга у разных животных, и дают ключи к регенеративной медицине.

Человеческий мозг состоит из 80 миллиардов нейронов . Эти нервные клетки различаются по своей форме, функциям и связям с другими нейронами, образуя нейронные сети . Эта сложность позволяет мозгу выполнять свои многочисленные функции, от управления речью и зрением до хранения воспоминаний и генерации эмоций.

Хотя ученые идентифицировали множество типов нейронов, то, как эта сложность возникает в процессе развития мозга, является центральным вопросом нейробиологии развития и регенеративной медицины.

«Знание того, как развивается человеческий мозг, может позволить нам в будущем повторить эти процессы развития в лаборатории, чтобы генерировать определенные типы нейронов в чашке Петри — и, возможно, трансплантировать их пациентам — или запускать нейронные стволовые клетки в живых организмах для генерации и заменить отсутствующие нейроны», — сказал Клод Десплан, серебряный профессор биологии Нью-Йоркского университета и старший автор исследования.

Поскольку изучение человеческого мозга — невероятно сложная задача, исследователи полагаются на модельные организмы, такие как мыши и мухи, чтобы изучить сложные механизмы, участвующие в мозговых процессах. Как у позвоночных, таких как мыши и люди, так и у беспозвоночных, таких как мухи, различные типы нейронов генерируются последовательно по мере развития мозга, при этом определенные типы нейронов генерируются первыми, а другие типы генерируются позже из одной и той же стволовой клетки-предшественника.

Механизм, с помощью которого нервные стволовые клетки со временем производят разные нейроны, называется временным паттернированием . Экспрессируя разные молекулы, называемые временными факторами транскрипции или tTF, которые регулируют экспрессию специфических генов в каждом временном окне, нейральные стволовые клетки продуцируют разные нейроны.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature , исследователи изучили мозг плодовой мушки дрозофилы , чтобы раскрыть полный набор tTF, необходимых для генерации примерно 120 типов нейронов продолговатого мозга, специфической структуры мозга в зрительной системе мух. Они использовали современное секвенирование мРНК отдельных клеток, чтобы получить транскриптом — все гены, экспрессированные в данной клетке — более чем 50 000 отдельных клеток , которые затем были сгруппированы в большинство типов клеток, присутствующих в развивающемся мозговом веществе.

Сосредоточившись на нервных стволовых клетках, исследователи определили полный набор tTF, которые определяют различные окна времени в этой области мозга, и генетическую сеть, контролирующую экспрессию этих различных tTF, которые позволяют прогрессировать этому временному каскаду.

«Ранее с использованием доступных антител в зрительной системе мозга было идентифицировано несколько tTF; теперь мы идентифицировали исчерпывающую серию из 10 tTF, которые могут определять все типы нейронов в этой области мозга», — сказал один из ведущих авторов исследования Николаос Константинидес. сейчас руководитель группы в Институте Жака Моно в Париже и бывший научный сотрудник лаборатории Desplan.

Затем исследователи определили генетические взаимодействия, которые позволяют прогрессировать временному каскаду, и то, как эта прогрессия связана с «порядком рождения» всех нейронов в мозговом веществе, связывая определенные временные окна с генерацией определенных типов нейронов. Этот каскад необходим для воспроизведения полного нейронного разнообразия этой области мозга в стереотипном порядке.

«Нарушение прогрессии временного каскада приводит к уменьшению разнообразия нейронов и, следовательно, к изменению развития мозга », — сказала Изабель Хольгера, научный сотрудник кафедры биологии Нью-Йоркского университета и один из первых авторов исследования.

Наконец, команда изучила первые шаги в процессе созревания нервных стволовых клеток в нейроны, стадию развития нейронов, называемую дифференцировкой. Они обнаружили, что процесс дифференцировки нейронов мух и нейронов коры головного мозга человека был поразительно схожим, со схожими паттернами экспрессии генов на разных стадиях дифференцировки.

«Наши результаты показывают, что понимание механизмов развития нейронов у мух может дать представление об аналогичном процессе у людей», — сказал соавтор Энтони Росси, ныне работающий в Гарварде и бывший аспирант лаборатории Desplan.