Исследователи построили один из крупнейших молекулярных атласов человеческого мозга, изучив 6,32 млн клеточных ядер из префронтальной коры 1494 доноров. Результат позволил сравнить работу генов при болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона, деменциях, шизофрении и других нарушениях, выявив молекулярные изменения, которые разные диагнозы разделяют между собой.
Фокус на дорсолатеральной префронтальной коре обоснован её ролью в принятии решений, контроле поведения и эмоциональной регуляции — функциях, нарушаемых как нейродегенеративными, так и психическими расстройствами.
Для анализа использовали замороженную ткань и секвенирование РНК отдельных ядер. Метод позволяет увидеть, какие гены были активны в каждой клетке перед смертью донора. Вместо усреднённого сигнала от большого куска ткани исследователи получили миллионы отдельных профилей и смогли различить нейроны, клетки иммунной системы мозга, клетки сосудов и другие типы.
После проверки качества в итоговый набор вошли 6,32 млн ядер, разделённых на восемь крупных классов, 27 подклассов и 65 более узких типов. Нейроны составили 38,4% образца, олигодендроциты (клетки, формирующие миелиновую оболочку нервных волокон) — 36,1%.
Образцы собрали у людей возрастом от рождения до 108 лет. Для основного сравнения болезней исследователи отобрали 1160 доноров старше 17 лет с минимальным числом сопутствующих диагнозов и проанализировали болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, диффузную болезнь с тельцами Леви, сосудистую деменцию, таупатию, лобно-височную деменцию, шизофрению и биполярное расстройство. Контрольную группу составили 319 человек без выявленных неврологических и психических заболеваний.
Анализ показал, что разные заболевания не действуют на клетки независимо. Все болезни нарушали обработку матричной РНК и доставку белков внутри клетки. Когда исследователи отделили эти универсальные сигналы от специфических, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, сосудистая деменция и болезнь с тельцами Леви оказались ближайшими соседями по генетическим признакам и профилям активности генов.
Детальное изучение болезни Альцгеймера выявило перестройку клеточного состава по мере прогрессирования: у доноров с более тяжёлыми проявлениями доля нейронов снижалась, а иммунных и сосудистых клеток становилось больше. Это указывает на то, что развитие болезни связано не только с повреждением нервных клеток, но и с изменениями иммунной среды и сосудистой системы.
Авторы обнаружили связь между нейропсихиатрическими симптомами Альцгеймера и возбуждающими нейронами глубоких слоёв коры. При наличии таких симптомов доля некоторых клеток этого типа была выше. Это наблюдение остаётся ассоциацией: данные не доказывают прямую причину-следствие.
Моделирование стадий болезни Альцгеймера выявило различие в молекулярных процессах. На ранних этапах преобладали изменения, связанные с иммунными процессами, на поздних стадиях возрастала роль нарушений в клетках кровоснабжения. Это позволяет разделить процессы, которые раньше казались единой картиной болезни.
Размер выборки позволил оценить естественные вариации между людьми. Около половины вариаций активности генов объяснялись типом клетки, различия между доноров давали примерно 7,5%. Возраст, пол, происхождение и диагноз по отдельности объясняли значительно меньшую долю. Поиск признаков болезни внутри конкретных типов клеток оказался информативнее, чем анализ усреднённой ткани.
Атлас основан на посмертных образцах одной области мозга и не показывает причин возникновения заболеваний. Связь клеточных состояний с диагнозом не означает, что найденный процесс запускает болезнь. Главная ценность набора в другом: миллионы клеточных профилей можно сопоставлять между диагнозами и искать молекулярные процессы, повторяющиеся при нескольких нарушениях или уникальные для одной болезни.
