Wij mensen hebben meer dan 3.000 verschillende hersencellen, en wetenschappers hebben zojuist een monumentale poging onthuld om onze eigen hersenen en die van onze verwanten van primaten te begrijpen: de grootste atlas van menselijke hersencellen tot nu toe.
In 21 artikelen die op 12 oktober zijn gepubliceerd in de tijdschriften Science, Science Advances en Science Translational Medicine, deelde een groot consortium van onderzoekers nieuwe kennis over de cellen waaruit onze hersenen en die van andere primaten bestaan. Deze onderzoeken en gegevens onthullen de cellulaire samenstelling van ons zenuwstelsel in meerdere hersengebieden en wat er uniek is aan het menselijk brein.
Het onderzoeksconsortium is een gezamenlijke inspanning om het menselijk brein en zijn modulaire, functionele aard te begrijpen. Het werd bijeengeroepen en gefinancierd door het Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) programma van de NIH. Honderden wetenschappers van over de hele wereld hebben samengewerkt aan een reeks onderzoeken die de cellulaire samenstelling van het menselijk brein en de hersenen van andere primaten onderzoeken, en aantonen hoe een reeks transformatieve en schaalbare nieuwe technologieën kunnen worden gebruikt om de gedetailleerde organisatie van het menselijk brein met een ongekende resolutie te bestuderen.
Het begrijpen van onze hersenen op cellulair niveau is de sleutel tot het begrijpen van hoe onze hersenen werken en wie we zijn als soort, en tot het nauwkeuriger vaststellen van de cellulaire wortels van hersenziekten en -stoornissen - kennis die uiteindelijk tot betere behandelingen zou kunnen leiden.
Wetenschappers van het Allen Institute for Brain Science leidden vijf van de onderzoeken en leverden belangrijke bijdragen aan drie andere, waarvan er één de bestaande kennis over het aantal celtypen in de hersenen van volwassenen aanzienlijk uitbreidde. Wetenschappers van het Karolinska Instituut en het Allen Instituut bestudeerden de genen die in individuele hersencellen zijn ingeschakeld, een techniek die bekend staat als single-cell transcriptomics, en onthulde een verbazingwekkende diversiteit aan celtypen: we hebben meer dan 3.000 verschillende hersencellen.
"Ik denk dat dit een cruciaal moment is in de neurowetenschappen, met nieuwe technologieën die ons nu in staat stellen de zeer gedetailleerde cellulaire organisatie van het menselijk brein en de hersenen van andere primaten te begrijpen", zegt Ed Lein, Ph.D., senior fellow bij het Allen Institute for Brain Science. "De kern van dit werk is een triomf van de moleculaire biologie: verschillen in gengebruik kunnen worden gebruikt om celtypen te definiëren, en genomica-instrumenten kunnen worden gebruikt om de eerste annotaties met hoge resolutie te maken van de cellen waaruit het hele menselijke brein bestaat."
Deze onderzoeken behandelen ook een reeks belangrijke vragen, zoals: Hoe verschillen de hersenen van elke persoon? Hoe verschillend verschillen de hersenen van elke persoon op cellulair niveau? Hoe verschillen onze hersenen van die van onze aapneven? Hoeveel soorten hersencellen hebben we? Wat zijn de kenmerken van deze cellen? Hoe ontstaan en rijpen deze cellen tijdens de ontwikkeling?
De nieuw gepubliceerde bevindingen bouwen voort op eerdere hoge-resolutie kartering van hersenceltypen in een enkel gebied van de menselijke hersenschors, de buitenste schil van de hersenen, en breiden deze onderzoeken uit naar tientallen tot honderden gebieden in de hersenen. Studies van afzonderlijke regio's hebben meer dan 100 verschillende hersenceltypen geïdentificeerd, terwijl nieuw vrijgegeven gegevens duizenden verschillende soorten hersencellen in de hersenen laten zien. Voor veel delen van de hersenen is deze complexiteit en diversiteit nog nooit eerder beschreven.
De onderzoeken maken deel uit van het BRAIN Initiative Cell Census Network, of BICCN, van de National Institutes of Health (NIH), een vijfjarig subsidieprogramma dat in 2017 werd gelanceerd om een catalogus van hersenceltypen op te bouwen. Dit werk demonstreert de schaalbaarheid van geavanceerde cellulaire en moleculaire benaderingen om de uitdagingen aan te pakken die worden veroorzaakt door de schaal en complexiteit van het menselijk brein en legt de basis voor de volgende fase van inspanningen op het gebied van celtelling. Een deel van de volgende fase van het werk, dat nu aan de gang is bij het Allen Institute, zal een uitgebreidere atlas van de hersenen van mensen en andere primaten opbouwen via het Cellular Atlas Network (BICAN) van het BRAIN Initiative.
Dr. John Ngai, directeur van het NIH Brain Program, zei: "Deze huidige reeks onderzoeken is een mijlpaal die een belangrijke brug zal blijven vormen bij het ophelderen van de complexiteit van het menselijk brein op cellulair niveau. De wetenschappelijke samenwerking die tot stand is gebracht via BICCN, en de samenwerking die wordt voortgezet in de volgende fase van BICAN, stuwt dit veld in een exponentieel tempo vooruit; de vooruitgang en mogelijkheden zijn ronduit adembenemend."
Bij onderzoek bij mensen wordt gebruik gemaakt van postmortaal weefsel van mensen die hun hersenen aan de wetenschap hebben gedoneerd, maar ook van gezond levend weefsel van patiënten die een hersenoperatie hebben ondergaan en weefsel hebben gedoneerd aan onderzoek.
De onlangs vrijgegeven onderzoeksgegevens zullen ook worden opgenomen in de Human Cell Atlas, een internationale poging om een uitgebreide cellulaire referentiekaart te creëren van alle organen, weefsels en systemen in het menselijk lichaam.