Выявлены белки, объясняющие индивидуальные различия в связях мозга

Долгосрочная цель нейронауки – понять, как молекулы и клеточные структуры на микроуровне порождают связь между областями мозга на макроуровне. Исследование, опубликованное в Nature Neuroscience, впервые идентифицирует сотни мозговых белков, которые объясняют межиндивидуальные различия в функциональной связности и структурной ковариации в человеческом мозге.

«Главная цель нейронауки — развить понимание мозга, которое в конечном итоге описывает механистическую основу человеческого познания и поведения», — сказал соавтор исследования Джереми Херсковиц из Университета Алабамы в Бирмингеме. «Это исследование демонстрирует возможность интеграции данных из совершенно разных биофизических масштабов для обеспечения молекулярного понимания связей человеческого мозга».

Преодоление разрыва от молекулярного масштаба белков и мРНК до масштаба нейровизуализации всего мозга с помощью функциональной и структурной магнитно-резонансной томографии (диапазон около семи порядков величины) стало возможным благодаря исследованию религиозных орденов и проекту «Память и старение Раша» (ROSMAP) в Университете Раша, Чикаго, штат Иллинойс.

ROSMAP регистрирует католических монахинь, священников и братьев в возрасте 65 лет и старше, у которых на момент регистрации нет известных признаков слабоумия. Участники ежегодно проходят медицинское и психологическое обследование и соглашаются пожертвовать свой мозг после смерти.

Исследователи изучали посмертные образцы мозга и данные уникальной когорты из 98 участников ROSMAP. Их типы данных включали фМРТ в состоянии покоя, структурную МРТ, генетику, морфометрию дендритных шипиков, протеомику и измерения экспрессии генов из верхней лобной извилины и нижней височной извилины мозга.

«Основываясь на стабильности функциональных моделей связей у отдельных людей, мы выдвинули гипотезу о возможности объединения посмертных молекулярных и субклеточных данных с прижизненными данными нейровизуализации тех же людей, чтобы определить приоритетность молекулярных механизмов, лежащих в основе связей в мозге», — сказал Херсковиц.

Средний возраст участников ROSMAP на момент МРТ-сканирования и смерти составил 88 +/- 6 лет и 91 +/- 6 лет соответственно, при этом средний временной интервал между МРТ-сканированием и возрастом на момент смерти составил 3 +/- 2 года. Средний посмертный интервал до взятия образцов мозга составил 8,5 +/- 4,6 часа. В ходе исследования ученые провели подробную характеристику каждого типа данных омики, клеточных и нейровизуализации, а затем интегрировали различные типы данных с использованием алгоритмов вычислительной кластеризации.   

Ключом к исследованию было использование промежуточного масштабного измерения — морфометрии дендритных шипиков, форм, размеров и плотности шипиков — для связи молекулярной шкалы с общемозговой шкалой нейровизуализации. Интеграция морфометрии дендритных шипиков для контекстуализации протеомных и транскриптомных сигналов имела решающее значение для обнаружения связи белка с функциональной связностью. «Изначально измерения белка и РНК не могли объяснить изменчивость функциональной связности от человека к человеку; однако все сложилось, как только мы интегрировали морфологию дендритных шипиков, чтобы преодолеть разрыв между молекулами и межмозговой коммуникацией», — сказал Херсковиц.

Дендрит — это разветвленное расширение тела нейрона, которое получает импульсы от других нейронов. Каждый дендрит может иметь тысячи небольших выступов, называемых шипиками. Головка каждого шипа может образовывать контактную точку, называемую синапсом, для получения импульса, отправленного от аксона другого нейрона. Дендритные шипики могут быстро менять форму или объем, образуя новые синапсы, часть процесса, называемого пластичностью мозга, а головка шипика структурно поддерживает постсинаптическую плотность. Шипы можно разделить на подклассы формы на основе их трехмерной структуры, такие как тонкие, грибовидные, короткие или филоподии. Этим летом в другом исследовании Херсковиц и коллеги использовали образцы ROSMAP, чтобы показать, что сохранение памяти у очень старых людей поддерживалось качеством, измеряемым диаметром головки дендритного шипика, а не количеством синапсов в мозге.

В этом последнем исследовании сотни белков, которые исследователи идентифицировали и которые объясняют межиндивидуальные различия в функциональной связности и структурной ковариации, были обогащены белками, участвующими в синапсах, энергетическом метаболизме и обработке РНК. «Объединяя данные на генетическом, молекулярном, субклеточном и тканевом уровнях, мы связали определенные биохимические изменения в синапсах с связностью между областями мозга», — сказал Херсковиц.

«В целом, это исследование показывает, что получение данных по основным направлениям в области нейронауки человека из одного и того же набора мозгов является основополагающим для понимания того, как функционирование человеческого мозга поддерживается в различных биофизических масштабах», — сказал Херсковиц. «Хотя для полного определения масштаба и компонентов многомасштабной мозговой синхронности необходимы будущие исследования, мы установили надежно определенный начальный набор молекул, эффекты которых, вероятно, резонируют в различных биофизических масштабах».