Neurocientistas lançam o primeiro atlas abrangente de células cerebrais

O consórcio de iniciativas BRAIN faz censo de células do córtex motor em camundongos, saguis e humanos

Embora os pesquisadores tenham descoberto vários tipos de células no cérebro, este atlas de todos os tipos de células em uma área - o córtex motor primário - é a primeira lista abrangente e um ponto de partida para rastrear redes celulares para entender como elas controlam nosso corpo e mente e como eles são interrompidos em transtornos mentais e físicos.

Quando você clicou para ler esta história, uma faixa de células no topo do seu cérebro enviou sinais para baixo de sua espinha e para sua mão para dizer aos músculos de seu dedo indicador para pressionar para baixo com a quantidade certa de pressão para ativar o mouse ou trackpad.

Uma série de novos estudos agora mostra que a área do cérebro responsável por iniciar essa ação - o córtex motor primário, que controla o movimento - tem até 116 tipos diferentes de células que trabalham juntas para fazer isso acontecer.

Os 17 estudos, publicados online em 6 de outubro na revista Nature , são o resultado de cinco anos de trabalho por um grande consórcio de pesquisadores apoiados pela Iniciativa dos Institutos Nacionais de Pesquisa do Cérebro da Saúde por meio do Avanço das Neurotecnologias Inovadoras (BRAIN) para identificar a miríade de diferentes tipos de células em uma parte do cérebro. É o primeiro passo em um projeto de longo prazo para gerar um atlas de todo o cérebro para ajudar a entender como as redes neurais em nossa cabeça controlam nosso corpo e mente e como elas são interrompidas em casos de problemas mentais e físicos.

"Se você pensa no cérebro como uma máquina extremamente complexa, como poderíamos entendê-lo sem primeiro quebrá-lo e conhecer as partes?" perguntou a neurocientista celular Helen Bateup, da Universidade da Califórnia, Berkeley, professora associada de biologia molecular e celular e co-autora do artigo principal que sintetiza os resultados dos outros artigos. "A primeira página de qualquer manual de como o cérebro funciona deve ser: Aqui estão todos os componentes celulares, é quantos deles existem, aqui é onde eles estão localizados e com quem eles se conectam."

Pesquisadores individuais já identificaram dezenas de tipos de células com base em sua forma, tamanho, propriedades elétricas e quais genes são expressos nelas. Os novos estudos identificam cerca de cinco vezes mais tipos de células, embora muitos sejam subtipos de tipos de células bem conhecidos. Por exemplo, as células que liberam neurotransmissores específicos, como ácido gama-aminobutírico (GABA) ou glutamato, cada uma tem mais de uma dúzia de subtipos distinguíveis uns dos outros por sua expressão gênica e padrões de disparo elétrico.

Enquanto os artigos atuais tratam apenas do córtex motor, a Rede de Censo Celular BRAIN Initiative (BICCN) - criada em 2017 - se esforça para mapear todos os diferentes tipos de células em todo o cérebro, que consiste em mais de 160 bilhões de células individuais, ambos neurônios e células de suporte chamadas glia. A iniciativa BRAIN foi lançada em 2013 pelo então presidente Barack Obama.

"Assim que tivermos todas essas partes definidas, podemos subir um nível e começar a entender como essas partes funcionam juntas, como formam um circuito funcional, como isso acaba dando origem a percepções e comportamentos e coisas muito mais complexas", Bateup disse.

Junto com o ex-professor da UC Berkeley, John Ngai, Bateup e o colega da UC Berkeley, Dirk Hockemeyer, já usaram o CRISPR-Cas9 para criar ratos nos quais um tipo específico de célula é marcado com um marcador fluorescente, permitindo que eles rastreiem as conexões que essas células fazem em todo o cérebro . Para o principal jornal, a equipe de Berkeley criou duas linhagens de ratos repórteres "knock-in" que forneceram novas ferramentas para iluminar as conexões dos tipos de células recentemente identificados, disse ela.

"Uma de nossas muitas limitações no desenvolvimento de terapias eficazes para distúrbios cerebrais humanos é que simplesmente não sabemos o suficiente sobre quais células e conexões estão sendo afetadas por uma doença específica e, portanto, não podemos identificar com precisão o que e onde precisamos atingir ", disse Ngai, que liderou os esforços da Brain Initiative da UC Berkeley antes de ser contratado no ano passado para dirigir toda a iniciativa nacional. "Informações detalhadas sobre os tipos de células que constituem o cérebro e suas propriedades irão, em última análise, permitir o desenvolvimento de novas terapias para doenças neurológicas e neuropsiquiátricas."

Ngai é um dos 13 autores correspondentes do artigo principal, que tem mais de 250 co-autores no total.

Bateup, Hockemeyer e Ngai colaboraram em um estudo anterior para traçar o perfil de todos os genes ativos em células produtoras de dopamina no mesencéfalo do camundongo, que tem estruturas semelhantes ao cérebro humano. Essa mesma técnica de criação de perfil, que envolve a identificação de todas as moléculas específicas de RNA mensageiro e seus níveis em cada célula, foi empregada por outros pesquisadores do BICCN para criar o perfil de células no córtex motor. Esse tipo de análise, usando uma técnica chamada sequenciamento de RNA de célula única, ou scRNA-seq, é conhecido como transcriptômica.

A técnica scRNA-seq foi um dos quase uma dúzia de métodos experimentais separados usados ​​pela equipe do BICCN para caracterizar os diferentes tipos de células em três mamíferos diferentes: camundongos, saguis e humanos. Quatro deles envolveram maneiras diferentes de identificar os níveis de expressão gênica e determinar a arquitetura da cromatina do genoma e o estado de metilação do DNA, que é chamado de epigenoma. Outras técnicas incluíram gravações de patch clamp eletrofisiológicas clássicas para distinguir as células pela forma como disparam potenciais de ação, categorizando as células por forma, determinando sua conectividade e observando onde as células estão localizadas espacialmente dentro do cérebro. Vários deles usaram o aprendizado de máquina ou inteligência artificial para distinguir os tipos de células.

"Esta foi a descrição mais abrangente desses tipos de células, e com alta resolução e metodologias diferentes", disse Hockemeyer. "A conclusão do artigo é que há uma sobreposição e consistência notáveis ​​na determinação dos tipos de células com esses métodos diferentes."

Uma equipe de estatísticos combinou dados de todos esses métodos experimentais para determinar a melhor forma de classificar ou agrupar células em diferentes tipos e, presumivelmente, em diferentes funções com base nas diferenças observadas na expressão e nos perfis epigenéticos entre essas células. Embora existam muitos algoritmos estatísticos para analisar esses dados e identificar clusters, o desafio era determinar quais clusters eram realmente diferentes uns dos outros - tipos de células realmente diferentes - disse Sandrine Dudoit, professora da UC Berkeley e presidente do Departamento de Estatística . Ela e a bioestatística Elizabeth Purdom, professora associada de estatística da UC Berkeley, foram membros importantes da equipe estatística e co-autores do artigo principal.

"A ideia não é criar mais um novo método de agrupamento, mas encontrar maneiras de alavancar os pontos fortes de diferentes métodos e métodos de combinação e avaliar a estabilidade dos resultados, a reprodutibilidade dos clusters que você obtém", disse Dudoit. "Essa é realmente uma mensagem chave sobre todos esses estudos que procuram novos tipos de células ou novas categorias de células: não importa o algoritmo que você tente, você obterá clusters, por isso é fundamental ter realmente confiança em seus resultados."

Bateup observou que o número de tipos de células individuais identificados no novo estudo dependia da técnica usada e variava de dezenas a 116. Uma descoberta, por exemplo, foi que os humanos têm cerca de duas vezes mais tipos diferentes de neurônios inibitórios do que neurônios excitatórios neste região do cérebro, enquanto os ratos têm cinco vezes mais.

"Antes, tínhamos algo como 10 ou 20 tipos de células diferentes que haviam sido definidos, mas não tínhamos ideia se as células que estávamos definindo por seus padrões de expressão gênica eram as mesmas definidas com base em suas propriedades eletrofisiológicas, ou os mesmo que os tipos de neurônios definidos por sua morfologia ", disse Bateup.

"O grande avanço do BICCN é que combinamos muitas maneiras diferentes de definir um tipo de célula e as integramos para chegar a uma taxonomia de consenso que não é apenas baseada na expressão gênica ou na fisiologia ou morfologia, mas leva todas essas propriedades em consideração ", Disse Hockemeyer. "Então, agora podemos dizer que esse tipo específico de célula expressa esses genes, tem essa morfologia, tem essas propriedades fisiológicas e está localizado nessa região específica do córtex. Então, você tem uma compreensão granular muito mais profunda de qual é esse tipo de célula é e suas propriedades básicas. "

Dudoit alertou que estudos futuros podem mostrar que o número de tipos de células identificados no córtex motor é uma superestimativa, mas os estudos atuais são um bom começo na montagem de um atlas de células de todo o cérebro.

"Mesmo entre os biólogos, há opiniões muito diferentes sobre quanta resolução você deve ter para esses sistemas, se há essa estrutura de agrupamento muito, muito fina ou se você realmente tem tipos de células de nível superior que são mais estáveis", disse ela. "No entanto, esses resultados mostram o poder da colaboração e da união de esforços em diferentes grupos. Estamos começando com uma questão biológica, mas um biólogo sozinho não poderia ter resolvido esse problema. Para resolver um grande problema desafiador como esse, você quer um equipe de especialistas em várias disciplinas diferentes que são capazes de se comunicar bem e trabalhar bem uns com os outros. "

Outros membros da equipe da UC Berkeley incluíam os cientistas de pós-doutorado Rebecca Chance e David Stafford, o aluno de graduação Daniel Kramer, a técnica de pesquisa Shona Allen do Departamento de Biologia Celular e Molecular, o aluno de doutorado Hector Roux de Bézieux da Escola de Saúde Pública e o bolsista de pós-doutorado Koen Van den Berge do Departamento de Estatística. Bateup é membro do Helen Wills Neuroscience Institute, Hockemeyer é membro do Innovative Genomics Institute e ambos são investigadores financiados pelo Chan Zuckerberg Biohub.

Fonte da história:

Materiais fornecidos pela University of California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e comprimento.

Referência do jornal :

1. Rede de Censo de Células da Iniciativa BRAIN (BICCN). Um censo de células multimodais e atlas do córtex motor primário de mamíferos . Nature , 2021; 598 (7879): 86 DOI: 10.1038 / s41586-021-03950-0

Cite esta página :Universidade da California, Berkeley. "Neurocientistas lançam o primeiro atlas abrangente de células cerebrais: o consórcio da iniciativa BRAIN faz o censo das células do córtex motor em camundongos, saguis e humanos." ScienceDaily. ScienceDaily, 6 de outubro de 2021. .