Forskere ser på frugtfluen for at forstå den menneskelige hjerne

Det menneskelige nervesystem er som et komplekst kredsløb. Når ledninger krydser eller kredsløb fungerer, tilstande som skizofreni eller bipolar lidelse kan opstå.

I lang tid, forskere har arbejdet med at zoome ind og identificere, hvordan hjernekredsløb dannes, så de kan lære at genoprette problemfyldte neuroner.

Nu, forskere ved Stanford ledet af professor i biologi Liqun Luo og professor i bioingeniør og anvendt fysik Stephen Quake har taget et betydeligt skridt fremad i den retning ved at lave en detaljeret celle-for-celle-genplan for frugtfluens olfaktoriske neuroner. Deres arbejde er blevet offentliggjort i Celle .

Grundidéen bag forskningen er at forstå de neuronale celletyper i den relativt enkle fluehjerne, og at identificere de molekyler, der styrer den præcise ledningsføring af forskellige typer neuroner i flyvehjernen. Over tid, forskere ønsker at bruge en lignende tilgang til at studere den langt mere komplekse cellulære sammensætning af den menneskelige hjerne, og måske en dag endda reparere fejlforbindelsen ved hjernesygdomme.

Enkeltcellet RNA-sekventering

At komme tilbage til gymnasiets biologi, husk at celler har DNA og RNA. DNA er den genetiske kode, der repræsenterer planen for en hel organisme. Frugtfluen, en modelorganisme for mennesket, fordi den deler cirka 75 procent af vores kendte sygdomsgener, har omkring 15, 000 gener. Selvfølgelig, ikke alle gener udtrykkes hele tiden. Hver enkelt celle udtrykker et specifikt undersæt af gener, som igen laver et specifikt sæt proteiner. Messenger RNA -molekyler bærer de genetiske koder til at skabe, eller udtrykke, uanset hvilke proteiner der kan være påkrævet af en bestemt celle på et hvilket som helst tidspunkt.

Stanford -forskerne fokuserede på celler i olfaktorien, eller lugter, og sansning af kvadranter i fluehjernen. Frugtfluen er en af ​​de mest undersøgte organismer i biologi. Tidligere eksperimentel forskning har vist fluens olfaktoriske system som et rent og enkelt kredsløb, gør det til det ideelle testleje til udvikling af en ny genetisk teknologi til at undersøge, hvordan hjernekredsløb er forbundet. Fluehjernens lugtcenter har 50 typer centrale behandlingsneuroner, der vokser trådlignende filamenter for at forbinde med 50 typer sensoriske neuroner. Hvert tilsluttet par neuroner lader frugtfluen lugte en gruppe lugte, og i kombination, frugtfluen kan opdage de utallige lugte af frugterne i dit køkken.

For at se hele repertoiret af gener udtrykt i disse celler, Stanford -teamet brugte en metode, der var banebrydende af Quake, som gør det muligt for forskere at sekvensere alt messenger -RNA i en celle. Enkeltcelle -sekventeringsteknologierne udviklet af Quake og hans samarbejdspartnere er blevet meget udbredt og er grundlaget for internationale bestræbelser på at udvikle et omfattende atlas over menneske- og musecelletyper. Men postdoktor Hongjie Li og ph.d. -studerende Felix Horns justerede processen for at få den til at fungere for frugtfluen, som har små celler og en meget mindre mængde messenger -RNA pr. celle.

Ved at kombinere Quakes encellede RNA-sekventering med Luos detaljerede viden om frugtfluens olfaktoriske kredsløb, teamet var i stand til at oprette den første plan, der viser, hvordan specifik gen/proteinaktivitet korrelerer med den biologiske ledning af mindst en komponent i en organismes nervesystem.

Definere en celletype

Ultimativt, forskerne vil gerne lave en plan for det menneskelige nervesystem, men deres første skridt må være at identificere komponentcellerne i den menneskelige hjerne. Dette er særligt udfordrende, fordi selvom celler kan defineres efter funktion, fysiologi, anatomi og genekspression, forskere har haft svært ved at forene disse egenskaber. To celler kan have den samme funktion, men forskellige fysiologier. "Folk har håbet på, at encellede RNA-sekventeringer ville hjælpe med at løse dette problem, men indtil videre har det ikke været let, "sagde Luo.

At studere frugtfluen først har hjulpet, fordi i løbet af de sidste to årtier har Luo og hans laboratorium har lært funktionen at kende, fysiologi og anatomi af organismens olfaktoriske system meget godt. Selvom forskere stadig diskuterer, om der er 1, 000 eller 10, 000 celletyper i den menneskelige hjerne, Luo sagde, at vi allerede kender antallet af celletyper i frugtfluens olfaktoriske system. Det gjorde denne simple organisme til det ideelle testleje til at forbinde genekspression med de andre brikker i celletypepuslespillet og udvikle en proces til i sidste ende at studere den menneskelige hjerne.

Ny indsigt

Selvom forskere stadig er langt fra dette mål, deres fund har allerede givet nogle interessante indsigter i fluernes sind. For eksempel, forskerne fandt ud af, at under udviklingen når olfaktoriske neuroner vælger forbindelsespartnere, genekspressionen mellem forskellige neuronale typer er forskellig. Men som frugtfluer modnes, genekspressionsmønstre fra forskellige neuronale typer bliver umulige. "Når hjernen er forbundet, fluen behøver ikke at udtrykke de gener, der hjælper dem med at vælge forbindelsespartnere, "Horns sagde." Så der er mindre genekspression mangfoldighed i de voksne fluer. "

Det endelige mål er at udvikle nye og kraftfulde værktøjer til at forstå de genetiske tegninger, der leder den menneskelige hjerne. "Ved at videreudvikle denne tilgang, vi håber på en dag at ombygge og måske endda reparere defekte kredsløb i den menneskelige hjerne, "sagde Li, hvis tværfaglige arbejde med dette projekt blev støttet af Stanford Neurosciences Institute.