Ученые впервые связали транскриптомы и проектомы отдельных нейронов в зрительной коре мыши

Группа ученых впервые объединила данные о генной экспрессии отдельных нейронов с их проекциями аксонов в зрительной коре мыши. Это достижение, опубликованное в журнале Nature, позволяет понять, как молекулярные свойства нейрона определяют его связи в мозге. Исследование открывает новые возможности д

Что такое транскриптом и проектом нейрона

Транскриптом нейрона — это полный набор молекул РНК, которые экспрессируются в клетке в данный момент. Он отражает, какие гены активны, и определяет, какие белки производятся. Проектом — это схема всех аксональных проекций нейрона, то есть куда именно отправляются его сигналы. Ранее эти два аспекта изучались отдельно: транскриптомы — с помощью одноклеточного секвенирования РНК, проектомы — с помощью вирусного мечения и визуализации. Объединение этих данных на уровне отдельных клеток было технически сложной задачей из-за необходимости сохранить целостность клетки и сопоставить ее генетический профиль с пространственным расположением аксонов.

Как ученые объединили транскриптомы и проектомы

Исследователи разработали метод, который позволяет одновременно получать транскриптом и проектом из одного и того же нейрона. Сначала они вводили в зрительную кору мыши вирусные векторы, которые метили нейроны флуоресцентными белками. Затем с помощью оптического очищения мозга и конфокальной микроскопии визуализировали проекции аксонов. После этого из тех же нейронов извлекали РНК и проводили одноклеточное секвенирование. В результате удалось получить пары данных для тысяч нейронов из первичной зрительной коры (V1) и соседних областей.

Какие типы нейронов были обнаружены

Анализ показал более 100 различных типов нейронов, каждый из которых имеет уникальную комбинацию генной экспрессии и паттернов проекций. Например, были идентифицированы подтипы пирамидальных нейронов, которые проецируются в разные корковые и подкорковые области. Транскриптомные профили этих подтипов четко коррелировали с их проекциями: нейроны, отправляющие аксоны в верхнее двухолмие, экспрессировали одни гены, а те, что проецируются в таламус, — другие. Это подтверждает гипотезу о том, что генетическая программа нейрона предопределяет его функциональную роль в сети.

Почему это открытие важно для нейронауки

Понимание связи между генетикой и нейронными связями — одна из ключевых задач современной нейронауки. Ранее исследователи могли только предполагать, что разные типы нейронов имеют разные проекции, но прямых доказательств не было. Теперь появилась возможность напрямую сопоставлять молекулярные и структурные данные. Это поможет строить более точные модели мозга, которые учитывают как генетическую гетерогенность нейронов, так и их пространственные связи. Кроме того, такой подход может быть использован для изучения того, как изменения в транскриптоме (например, при мутациях) влияют на формирование нейронных цепей.

Какие практические применения может иметь это исследование?

В долгосрочной перспективе результаты могут быть применены в медицине. Например, при психических расстройствах, таких как шизофрения или аутизм, часто наблюдаются нарушения в нейронных связях. Если удастся связать эти нарушения с конкретными транскриптомными изменениями, это может привести к новым диагностическим и терапевтическим подходам. Также данные могут быть использованы в вычислительной нейронауке для создания реалистичных моделей кортикальных цепей.

Что еще предстоит выяснить

Несмотря на значительный прогресс, остается много открытых вопросов. Во-первых, пока неясно, насколько полученные закономерности универсальны для других областей коры и других видов. Возможно, в разных отделах мозга и у разных животных соотношение транскриптома и проектома будет отличаться. Во-вторых, транскриптом нейрона может меняться со временем: в процессе развития, при обучении или под воздействием внешних факторов. Как эти изменения отражаются на проекциях — неизвестно. Наконец, метод пока требует сложных манипуляций и не может быть легко масштабирован на весь мозг. Ученые надеются, что дальнейшее развитие технологий позволит преодолеть эти ограничения.

Заключение

Исследование, опубликованное в Nature, представляет собой важный шаг к интеграции молекулярной и структурной нейробиологии. Впервые удалось напрямую связать транскриптомы отдельных нейронов с их проектомами в зрительной коре мыши. Это открывает новые горизонты для понимания того, как генетическая программа формирует нейронные цепи, и может иметь далеко идущие последствия для нейронауки и медицины.