Det mänskliga nervsystemet är som ett komplext kretskort. När trådarna korsas eller kretsar fungerar, tillstånd som schizofreni eller bipolär sjukdom kan uppstå.

Under en lång tid, forskare har arbetat med att zooma in och identifiera hur hjärnkretsar bildas så att de kan lära sig att koppla om störande neuroner.

Nu, forskare vid Stanford under ledning av professor i biologi Liqun Luo och professor i bioingenjör och tillämpad fysik Stephen Quake har tagit ett betydande steg framåt i den riktningen genom att göra en detaljerad cell-för-cell-genritning av fruktflugans luktneuroner. Deras verk har publicerats i Cell .

Grundidén bakom forskningen är att förstå de neuronala celltyperna i den relativt enkla flughjärnan, och att identifiera molekylerna som styr den exakta kopplingen av olika typer av neuroner i flughjärnan. Över tid, forskare vill använda ett liknande tillvägagångssätt för att studera den långt mer komplexa cellulära sammansättningen av den mänskliga hjärnan, och kanske en dag till och med reparera felkablarna i hjärnstörningar.

Encells RNA-sekvensering

När jag återvänder till gymnasiets biologi, kom ihåg att celler har DNA och RNA. DNA är den genetiska koden som representerar planen för en hel organism. Fruktflugan, en modellorganism för människan eftersom den delar cirka 75 procent av våra kända sjukdomsgener, har cirka 15, 000 gener. Självklart, inte alla gener uttrycks hela tiden. Varje enskild cell uttrycker en specifik delmängd av gener, som i sin tur gör en specifik uppsättning proteiner. Messenger RNA -molekyler bär de genetiska koderna för att skapa, eller uttrycka, vilka proteiner som helst kan krävas av någon specifik cell vid vilken tidpunkt som helst.

Stanford -forskarna fokuserade på celler i luktfaktorn, eller luktar, och avkänning av kvadranter i flughjärnan. Fruktflugan är en av de mest studerade organismerna inom biologin. Tidigare experimentell forskning har visat att flugans luktsystem är en ren och enkel krets, vilket gör den till den perfekta testbädden för att utveckla en ny genetisk teknik för att undersöka hur hjärnkretsar är kopplade. Lughjärnans luktcentrum har 50 typer av centralbehandlingsneuroner som odlar trådliknande trådar för att ansluta till 50 typer av sensoriska neuroner. Varje anslutet par neuroner tillåter fruktflugan att lukta en grupp lukt, och i kombination, fruktflugan kan upptäcka de otaliga luktarna av frukterna i ditt kök.

För att se hela repertoaren av gener uttryckta i dessa celler, Stanford -teamet använde en metod som var föregångare från Quake som gör det möjligt för forskare att sekvensera allt budbärar -RNA i en cell. Encells -sekvenseringsteknologierna som utvecklats av Quake och hans medarbetare har blivit allmänt använda och utgör grunden för internationella ansträngningar för att utveckla en omfattande atlas av mänskliga och muscelltyper. Men postdoktoren Hongjie Li och doktoranden Felix Horns tweakade processen för att få den att fungera för fruktflugan, som har små celler och en mycket mindre mängd budbärar -RNA per cell.

Genom att kombinera Quakes enkelcells-RNA-sekvensering med Luos detaljerade kunskap om fruktflugans luktkrets, laget kunde skapa den första ritningen som visar hur specifik gen/proteinaktivitet korrelerar med den biologiska ledningen av minst en komponent i en organisms nervsystem.

Definiera en celltyp

I sista hand, forskarna skulle vilja skapa en plan för det mänskliga nervsystemet, men deras första steg måste vara att identifiera komponentcellerna i den mänskliga hjärnan. Detta är särskilt utmanande eftersom även om celler kan definieras efter funktion, fysiologi, anatomi och genuttryck, forskare har haft svårt att förena dessa egenskaper. Två celler kan ha samma funktion men olika fysiologier. "Folk har hoppats att encells-RNA-sekvensering skulle hjälpa till att lösa detta problem, men hittills har det inte varit lätt, sa Luo.

Att studera fruktflugan först har hjälpt eftersom de senaste två decennierna Luo och hans labb har lärt känna funktionen, fysiologi och anatomi hos organismens luktsystem mycket bra. Även om forskare fortfarande diskuterar om det finns 1, 000 eller 10, 000 celltyper i den mänskliga hjärnan, Luo sa att vi redan känner till antalet celltyper i fruktflugans luktsystem. Det gjorde den här enkla organismen till en idealisk testbädd för att koppla genuttryck till de andra bitarna i celltypspusslet och utveckla en process för att slutligen studera den mänskliga hjärnan.

Nya insikter

Även om forskare fortfarande är långt från det målet, deras upptäckt har redan gett några intressanta insikter i flugornas sinnen. Till exempel, forskarna fann att under utvecklingen, när luktneuroner väljer anslutningspartner, genuttrycket mellan olika neuronala typer är olika. Men när fruktflugorna mognar, genuttrycksmönster från olika neuronala typer blir oskiljbara. "När hjärnan är uppkopplad, flugan behöver inte uttrycka de gener som hjälper dem att välja anslutningspartner, "Horns sa." Så det finns mindre genuttrycksdiversitet hos de vuxna flugorna. "

Det slutliga målet är att utveckla nya och kraftfulla verktyg för att förstå de genetiska ritningarna som leder den mänskliga hjärnan. "Genom att vidareutveckla detta tillvägagångssätt, vi hoppas att vi en dag kan omvända och kanske till och med reparera defekta kretsar i den mänskliga hjärnan, "sa Li, vars tvärvetenskapliga arbete med detta projekt fick stöd av Stanford Neurosciences Institute.