Ongelooflijk gedetailleerde celkaarten helpen de weg vrij te maken voor een nieuwe generatie behandelingen. Een internationaal team van wetenschappers heeft de genetische, cellulaire en structurele samenstelling van het menselijk brein en dat van niet-menselijke primaten in kaart gebracht. Door financiering van het Brain Research Advancing Innovative Neurotechnologies Program van de National Institutes of Health krijgen wetenschappers een dieper inzicht in de hersenstructuur, wat resulteert in een dieper inzicht in de cellulaire basis van hersenfunctie en disfunctie, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor een nieuwe generatie precisietherapieën voor patiënten met psychische stoornissen en andere hersenziekten.
Onderzoekers hebben de genetische en cellulaire samenstelling van de hersenen van menselijke en niet-menselijke primaten in kaart gebracht, wat de mogelijkheid biedt om inzicht te krijgen in de hersenfunctie en ziekten te behandelen. Dit onderzoek maakt deel uit van het BRAIN Initiative, dat in totaal 24 artikelen heeft gepubliceerd en naar verwachting transformatieve vooruitgang zal boeken op het gebied van de neurowetenschappen.
Deze onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in 24 artikelenbundels in de tijdschriften "Science", "Science Advances" en "Science Translational Medicine".
"Het in kaart brengen van de hersencellen is een cruciale stap in het begrijpen hoe dit belangrijke orgaan werkt bij gezondheid en ziekte", zegt Joshua A. Gordon, MD, directeur van het National Institute of Mental Health. "Deze nieuwe gedetailleerde cellulaire atlassen van de hersenen van menselijke en niet-menselijke primaten vormen de basis voor het ontwerpen van nieuwe behandelingen die zich richten op specifieke hersencellen en hersencircuits die betrokken zijn bij hersenziekten."
Belangrijkste bevindingen en inzichten
In deze nieuwste verzameling artikelen van het BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) beschrijven 24 artikelen in detail de ongewoon complexe diversiteit van hersencellen in het menselijk brein en niet-menselijke primaten. Deze onderzoeken brachten overeenkomsten en verschillen aan het licht in de manier waarop cellen zijn georganiseerd en genen worden gereguleerd in de hersenen van menselijke en niet-menselijke primaten. Drie artikelen in de collectie stelden bijvoorbeeld voor het eerst een cellulaire atlas van het volwassen menselijke brein voor en brachten de transcriptie en het epigenoom van de hersenen in kaart. Het transcriptoom is de complete verzameling genuitlezingen in een cel die de instructies bevat voor het maken van eiwitten en andere cellulaire producten. Het epigenoom verwijst naar de chemische modificaties van het DNA en de chromosomen van een cel die veranderen hoe de genetische informatie van de cel wordt uitgedrukt.
In een ander artikel bracht een vergelijking van de cellulaire en moleculaire eigenschappen van het menselijk brein en die van verschillende niet-menselijke primaten (chimpansees, gorilla's, makaken en zijdeaapjes) duidelijke overeenkomsten aan het licht in de typen, verhoudingen en ruimtelijke organisatie van corticale cellen bij mensen en niet-menselijke primaten. Studies naar genexpressie in hersenschorscellen bij verschillende soorten suggereren dat relatief kleine veranderingen in genexpressie over menselijke afstammingslijnen leiden tot veranderingen in neuronale bedrading en synaptische functie die het menselijk brein plastischer kunnen maken en het vermogen van het menselijk brein om zich aan te passen, te leren en te veranderen ondersteunen.
Een onderzoek naar hoe cellen veranderen in verschillende hersengebieden van zijdeaapjes heeft een verband gevonden tussen de eigenschappen van cellen in de hersenen van volwassenen en de eigenschappen van die cellen tijdens de ontwikkeling. Dit verband suggereert dat ontwikkelingsprogramma's zijn ingebed in cellen terwijl ze zich vormen en tot in de volwassenheid in stand blijven, en dat sommige van de cellulaire eigenschappen die op volwassen leeftijd waarneembaar zijn, al vroeg in het leven kunnen ontstaan. De ontdekking kan leiden tot nieuwe inzichten in de ontwikkeling en functie van de hersenen gedurende de hele levensduur.
Onderzoek naar de anatomie en fysiologie van neuronen in de buitenste laag van de neocortex heeft verschillen aan het licht gebracht tussen de hersenen van mensen en muizen, wat suggereert dat deze regio een evolutionaire hotspot kan zijn, waarbij veranderingen bij mensen hogere eisen weerspiegelen voor het reguleren van complexere hersencircuits bij mensen.
BICCN is een baanbrekende poging om de cellulaire samenstelling van de hersenen te begrijpen. Het kerndoel is het opbouwen van een alomvattende inventaris van hersencellen – waar ze zich bevinden, hoe ze zich ontwikkelen, hoe ze samenwerken en hoe ze hun activiteit reguleren – om beter te begrijpen hoe hersenziekten zich ontwikkelen, vorderen en het beste kunnen worden behandeld.
"Deze reeks onderzoeken is een mijlpaal in het onthullen van de complexiteit van het menselijk brein op cellulair niveau", zegt Dr. John Ngai, directeur van het NIH Brain Program. "De wetenschappelijke samenwerkingen die via BICCN tot stand zijn gekomen, stuwen dit veld in een exponentieel tempo vooruit; de vooruitgang en mogelijkheden zijn ronduit adembenemend."
De telling van hersenceltypen in de hersenen van menselijke en niet-menselijke primaten waarop dit artikel zich richt, is een cruciale stap in de richting van de ontwikkeling van toekomstige hersenbehandelingen. Deze bevindingen legden ook de basis voor het BRAIN Initiative Cell Atlas Network. Het BRAIN Initiative Cell Atlas Network is een transformatief project dat twee andere grootschalige projecten samenvoegt - het BRAIN Initiative Connectivity Across Scales en het Armamentarium for Precision Brain Cell Access - dat tot doel heeft een revolutie teweeg te brengen in het neurowetenschappelijk onderzoek door de fundamentele principes te verhelderen die ten grondslag liggen aan de circuits die gedrag bepalen en nieuwe benaderingen voor de behandeling van menselijke hersenziekten informeren.