BICAN (BRAIN Initiative Cell Atlas Network) опубликовали 12 статей, в которых мозг человека и других млекопитающих рассматривается на уровне единичных клеток в ходе развития
Они изучили транскриптомы, генную регуляцию, динамику взаимодействия клеток и их дифференцировку
Авторы работ выявили критически важные периоды развития мозга, в том числе после рождения, а также показали, как сенсорные сигналы влияют на развитие разных его областей
Так, нарушение восприятия обонятельных феромонов изменило состав типов клеток, связанных с социальным поведением, у мыши
А отсутствие зрительных сигналов изменяло клеточный состав и паттерны нейронных проекций в зрительной коре
Транскриптомная реконструкция траекторий развития клеток зрительной коры, показывающая расхождение от общего предшественника в различные типы взрослых клеток
Gao et al., Nature | Пресс-релиз
Подготовила Юлия Панченко
Развитие мозга человека начинается еще до рождения и продолжается в детстве и подростковом возрасте
Эти периоды у человека длятся необычайно долго, позволяя сформироваться всем специфичным для нашего вида типам клеток, связям и функциям
Но это же дает множество возможностей генетическим мутациям негативно повлиять на развитие нейронных цепей и возникновение таких состояний, как расстройства аутистического спектра (РАС) и шизофрения
Гены, связанные с этими нарушениями, часто участвуют в формировании и (или) созревании типов клеток и цепей на разных стадиях развития
Методы работы с единичными клетками позволяют лучше понять разнообразие клеток мозга и происходящие в них процессы
Ранее BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) показала, что транскриптомное, эпигеномное и пространственное профилирование выделило более 5000 типов клеток в мозге взрослой мыши. Вероятно, у человека их не меньше. Ученым хотелось бы проследить за появлением различных типов клеток мыши, а также клеток человека, в реальном времени
Однако не существует технологии, которая позволила бы увидеть всю последовательность событий, происходящих в живом организме
Поэтому была создана серия генетических «снимков» раннего развития, которая позволяет реконструировать путь клетки от предшественницы до зрелой, дифференцированной клетки
Серия исследований BICCN, опубликованных в журнале Nature и в других изданиях, представила ряд важных открытий, которые помогут создать атласы развития мозга человека и других видов млекопитающих
Некоторые из них сосредоточены на формировании и дифференциации основного класса клеток мозга, называемых тормозными интернейронами, которые подавляют возбудимость других нейронов центральной нервной системы
В одном исследовании авторы отследили линии человеческих клеток и идентифицировали момент в середине гестации, в который клетки-предшественники перестают образовывать возбуждающие нейроны и переключаются на тормозные интернейроны и глию
В другом исследовании авторы проследили последующую спецификацию ингибиторных интернейронов в мозге мыши
Они обнаружили более богатую и продолжительную диверсификацию типов клеток в коре головного мозга, которая является эволюционно более новой областью, выполняющей высшие когнитивные функции, чем в большинстве подкорковых областей, которые являются более древними в эволюционном плане
Сравнивая транскриптомы клеток разных видов, авторы третьей работы показали, что аналоги одного из типов ингибиторных клеток есть и у других животных, а не только у приматов, как считалось раньше
Для этих клеток характерна экспрессия гена TAC3 у приматов и родственных генов у других видов
Также были проанализированы механизмы, координирующие активность генов
В двух статьях авторы использовали методы работы с единичными клетками для картирования доступности хроматина и экспрессии РНК в одних и тех же клетках на разных этапах развития. В одной работе использовались подходы, позволяющие получать высокоразрешенную пространственную информацию как об экспрессии генов, так и о доступности хроматина
Оказалось, что РНК некоторых факторов транскрипции локализована в определенных слоях коры головного мозга, но доступность хроматина для этих генов не столь ограничена пространственно
Другое исследование показало, что общая доступность хроматина для гена менее специфична к типу клеток, чем его экспрессия РНК, однако доступностьотдельных регуляторных последовательностей этого гена более специфична к типу клеток
Эти данные свидетельствуют о том, что экспрессия РНК и доступность хроматина (показатели активности гена) не всегда тесно коррелируют
Влияние различных внешних факторов на развитие исследовали в другой работе
Авторы проанализировали развитие гипоталамуса, области мозга, отвечающей за поддержание стабильного внутреннего состояния (гомеостаза) и организацию социального поведения. У мышей происходят резкие смены экспрессии генов на разных вехах развития, когда повышаются социальные «требования», таких как прекращение выкармливания матерью и половое созревание
Нарушение восприятия обонятельных феромонов изменило состав типов клеток, связанных с социальным поведением.
Визуальные сигналы, поступающие, когда мышонок впервые открывает глаза, ускоряют изменения в экспрессии генов в коре
А отсутствие зрительных сигналов нарушает развитие
Так, изменяется клеточный состав и паттерны нейронных проекций в зрительной коре
Однако отсутствие сигналов не влияет на молекулярную идентичность этой области
Предположительно, эффекты опыта по-прежнему ограничены базовыми генетическими программами
Наконец, авторы еще одной статьи исследовал взаимосвязь сроков развития и клеточной идентичности, определив точки, в которых может возникнуть восприимчивость к заболеванию
Во время развития клетки необычайно гибки с точки зрения своей идентичности, что позволяет им развиваться в любой тип клеток, обнаруженных во взрослом мозге
Но эта гибкость может повышать уязвимость
Авторы идентифицировали тип клеток-предшественников у людей, присутствующий во втором триместре беременности, который может создавать три типа клеток: ингибирующие нейроны, предшественники олигодендроцитов и астроциты
А глиобластома содержит клетки с транскриптомами, похожими на таковые у этого предшественника
То есть активная пролиферация, которая так ценна для быстрого роста во время беременности, может быть заимствована раковыми клетками на более поздних этапах
В исследовании тканей плода человека, которое упоминалось ранее, авторы изучили участки генома, которые могут содержать генетические варианты, связанные с нейропсихиатрическими расстройствами
Они сопоставили эти участки с картой доступности хроматина в первом триместре беременности и обнаружили, что у тормозных нейронов среднего мозга (центр обработки вознаграждения) есть специфичные доступные области, совпадающие с вариантами риска развития большого депрессивного расстройства
Совместно эти исследования раскрывают сроки и закономерности роста, специализации и взаимодействия клеток мозга
Исследователи также выявили критические периоды в развитии — некоторые даже после рождения, — когда мозг особенно чувствителен к изменениям
Источники:
Developmental maps of the brain trace when cell types emerge // Nature (2024), published November 5, 2025, DOI: 10.1016/j.cell.2023.12.029
Tomasz J. Nowakowski, et al. The new frontier in understanding human and mammalian brain development // Nature (2025), published November 5, 2025, DOI: 10.1038/s41586-025-09652-1