Seattle (LabNews Media LLC) – Ein internationales Konsortium aus mehr als 50 Institutionen und Hunderten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat den bislang detailliertesten zellulären Atlas der Basalganglien erstellt. Wie das Allen Institute mitteilte, umfasst die Arbeit Datensätze von Mensch, Makake, Weißbüschelaffe und Maus und wurde in 26 Studien in Fachzeitschriften der Cell-Press-Gruppe veröffentlicht. Die Daten stehen der weltweiten wissenschaftlichen Gemeinschaft frei zur Verfügung.
Die Basalganglien sind ein vernetztes System tief im Gehirn, das für Bewegung, Gewohnheitsbildung, Entscheidungsfindung und Emotionen von entscheidender Bedeutung ist. Parkinson, Chorea Huntington, Schizophrenie, bipolare Störung und Sucht stehen in genetischer und molekularer Verbindung zu dieser Hirnregion. Mit fortschrittlichen Einzelzell-Molekularprofilierungstechnologien analysierten die Forschenden 25,5 Millionen Zellen aus dem Gehirn von Menschen (21,0 Millionen), Rhesus- und Javaneraffen (3,0 Millionen) sowie Weißbüschelaffen (1,5 Millionen). Es ist nach Angaben der Beteiligten das erste bedeutende Arbeitsmodell eines standardisierten, speziesübergreifenden Referenzatlas für Gehirnzellen.
„Ich bin sehr begeistert von diesem Paket, weil es die Kraft von Teamwissenschaft und Open Science zeigt: Menschen arbeiten zusammen, schaffen einen gemeinsamen Standard für das Feld und nutzen ihn, um die Wirkung zu verstärken“, sagte Hongkui Zeng, Executive Vice President und Director of Brain Science am Allen Institute. Krankheitszustände seien immer zelltypspezifisch; um zu verstehen, was im Gehirn wirklich vor sich gehe, brauche es eine genaue Liste der Zelltypen und die Untersuchung der Genexpression in jeder einzelnen Zelle.
Der Atlas ist das erste große Ergebnis des BRAIN Initiative Cell Atlas Network (BICAN), das eine vollständige Liste aller Zelltypen des gesamten menschlichen Gehirns erstellen will. „Es ist das Gesamtergebnis, das dieses Studienpaket wirklich auszeichnet. Wir haben koordinierte Studien zur zellulären Organisation aus Sicht der Transkriptomik, der epigenetischen Regulation, der räumlichen Analyse sowie der morphologischen und physiologischen Eigenschaften von Zellen“, sagte Ed Lein, Executive Vice President und Director of Brain Health am Allen Institute. Alle Ergebnisse stimmten weitgehend überein. Die molekulare Klassifikation funktioniere über verschiedene Datentypen und Labore hinweg. Das gebe Zuversicht, dass sie die grundlegende Organisation des Gehirns abbilde. Das Design sei als Vorlage für das gesamte Gehirn angelegt.
Zu den zentralen Ergebnissen zählt die Entdeckung eines neuen Zelltyps, STR D2 SMYD2-HTR7, der mit Schizophrenie und bipolarer Störung in Verbindung gebracht wird. „Schizophrenie wurde mit dem Striatum assoziiert, aber es war schwierig zu bestimmen, welche Neuronen anfällig sind“, sagte Nelson Johansen vom Allen Institute. Die Studie habe einen seltenen Neurontyp aufgedeckt, der den Serotoninrezeptor HTR7 exprimiere und nicht in früheren Studien gefunden worden sei; dieser trage ein erhöhtes Schizophrenie-Risiko. Der Atlas grenze das genetische Krankheitssignal auf eine bestimmte Population ein, die Forschende nun untersuchen könnten.
In einer weiteren Studie entwickelten Wissenschaftler eine „intelligentere“ Version einer bestehenden Gentherapie, die die für Parkinson typischen Tremoren reduziert. Der neue Ansatz sei in Tiermodellen wirksamer und weniger invasiv als aktuelle Behandlungen am Menschen. Eine von der University of California, San Francisco, geleitete Studie identifizierte genetische Veränderungen in bestimmten Zelltypen der Basalganglien, die bei Autismus eine Rolle spielen könnten. Forschende des Broad Institute entdeckten weit verbreitete, zelltypspezifische Veränderungen der Genexpression im Zusammenhang mit Alterung. Bemerkenswert sei, dass sich das Alter einer Person aus Genexpressionsmustern über mehrere Zelltypen hinweg vorhersagen lasse – eine mögliche Grundlage für biologische Altersuhren auf Basis von Gehirnzellen.
Finanziert wurde die Arbeit von der National Institutes of Health’s Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative. „Der BICAN-Basalganglien-Atlas wird enormen Einfluss darauf haben, wie wir die grundlegende Hirnfunktion und die zellulären Grundlagen verheerender neurologischer, neuropsychiatrischer und substanzbezogener Störungen verstehen – ein Hauptziel der NIH BRAIN Initiative“, sagte John Ngai, Direktor der BRAIN Initiative. Die Leistung zeuge von der Kraft der Teamwissenschaft und der Entschlossenheit der Hunderte beteiligten Forschenden.
Nach Angaben der Beteiligten wurde erstmals ein gemeinsames Referenzsystem zur Klassifikation und Analyse der Hirnkomplexität verwendet. „Diese Gemeinschaft hat zusammengearbeitet, um eine gemeinsame Beschreibung von Zellpopulationen zu entwickeln, und dann hat jeder sie genutzt. Wir hoffen, dass dies ein Rahmen für das gesamte Feld wird“, sagte Lein. Alle Studien des Pakets hätten dasselbe zelluläre Gerüst verwendet. Das wolle man nun auf das gesamte Gehirn ausweiten und eine Referenz im Geist des Humangenoms schaffen, die die Gemeinschaft vereine und Fortschritte beschleunige. Sämtliche Daten und Ergebnisse sollen offen geteilt werden.
