En forskargrupp med flera institut under ledning av BGI-Research har använt BGI Stereo-seq-teknologi för att konstruera världens första spatiotemporala cellulära atlas av axolotl (Ambystoma mexicanum) hjärnans utveckling och regenerering, och avslöjar hur en hjärnskada kan läka sig själv. Studien publicerades som en omslagsartikel i det senaste numret av Science .

Forskargruppen analyserade utvecklingen och regenereringen av salamanderhjärna, identifierade de viktigaste neurala stamcellsundergrupperna i processen för salamanderhjärnregenerering och beskrev rekonstruktionen av skadade neuroner av sådana stamcellsundergrupper. Samtidigt fann teamet också att hjärnans regenerering och utveckling har vissa likheter, vilket ger hjälp för kognitiv hjärnstruktur och utveckling, samtidigt som de erbjuder nya riktningar för regenerativ medicinforskning och behandling av nervsystemet.

I motsats till däggdjur har vissa ryggradsdjur förmågan att regenerera flera organ, inklusive delar av det centrala nervsystemet. Bland dem kan axolotlen inte bara regenerera organ som lemmar, svans, ögon, hud och lever, utan också hjärnan. Axolotlen är evolutionärt avancerad jämfört med andra teleostar, såsom zebrafisk, och dess hjärna har en högre likhet med däggdjurs hjärnstruktur. Därför använde denna studie axolotlen som en idealisk modellorganism för forskning om hjärnregenerering.

Tidigare forskning har endast delvis karakteriserat vilka celler och vägar som är involverade i hjärnans regenerering. I den här studien använde forskarna BGI:s Stereo-seq-teknologi för att skapa en encellsupplösning spatiotemporal karta över salamanderhjärnans utveckling under sex viktiga utvecklingsperioder, som visar de molekylära egenskaperna hos olika neuroner och dynamiska förändringar i rumslig fördelning. Forskare fann att subtyper av neurala stamceller som ligger i ventrikulär zonregion i det tidiga utvecklingsstadiet är svåra att särskilja, men började specialisera sig med rumsliga regionala egenskaper från tonårsstadiet. Denna upptäckt tyder på att olika undertyper kan utföra olika funktioner under regenerering.

Genom att ta prov från hjärnan vid sju tidpunkter (2, 5, 10, 15, 20, 30 och 60 dagar) efter en skada på det kortikala området i salamanderhjärnan, kunde forskarna analysera cellregenerering.

I det tidiga skedet av skadan började nya subtyper av neurala stamceller dyka upp i sårområdet och partiella vävnadsförbindelser uppträdde i det skadade området dag 15. Dag 20 och 30 observerade forskare att såret hade fyllts med ny vävnad , men cellsammansättningen skilde sig signifikant från det icke-skadade området. På dag 60 hade celltyperna och distributionen återgått till samma status som det icke-skadade området.

Genom att jämföra den molekylära förändringen under utvecklingen och regenereringen av salamanderhjärnan fann forskarna att bildningsprocessen av neuroner är mycket lik under både utveckling och regenerering. Detta resultat indikerar att hjärnskada kan få neurala stamceller att omvandlas till ett tidigt utvecklingstillstånd för att initiera regenereringsprocessen.

"Med hjälp av axolotl som modellorganism har vi identifierat nyckelcellstyper i hjärnregenereringsprocessen. Denna upptäckt kommer att ge nya idéer och vägledning för regenerativ medicin i däggdjursnervsystemet", förklarade Dr. Yin Gu, motsvarande författare till paper, biträdande direktör för BGI-Research.

"Hjärnan är ett komplext organ med sammankopplade neuroner. Därför är ett viktigt mål inom regenerativ medicin i centrala nervsystemet inte bara att rekonstruera den rumsliga strukturen hos neuroner, utan också att rekonstruera de specifika mönstren för deras intravävnadskopplingar. Därför är viktigt för att rekonstruera hjärnans 3D-struktur och förstå de systemiska reaktionerna mellan hjärnregioner under regenerering i framtida forskning."

Förutom BGI, forskare från Kina, USA och Danmark, inklusive Guangdong Provincial People's Hospital, South China Normal University, Wuhan University, School of Life Sciences vid University of Chinese Academy of Sciences, Shenzhen Bay Laboratory, Whitehead Institute, University i Köpenhamn och andra institut deltog i denna studie som fick etiskt godkännande och använde laboratorieodlad axolotl. + Utforska vidare

Neuroner och glia samarbetar för att driva neural regenerering efter hjärnskada