Введение

Атласы мозга мыши и человека — это проекты Института науки о мозге Алена, направленные на объединение геномики и нейроанатомии посредством создания карт экспрессии генов для мозга мыши и человека. Они были инициированы в сентябре 2003 года благодаря пожертвованию в размере 100 миллионов долларов от Пола Г. Аллена, а первый атлас был опубликован в сентябре 2006 года. По состоянию на май 2012 года опубликовано семь атласов мозга: Атлас мозга мыши, Атлас мозга человека, Атлас развивающегося мозга мыши, Атлас развивающегося мозга человека, Атлас связности мозга мыши, Атлас мозга приматов и Атлас спинного мозга мыши. Существуют также три связанных проекта с базами данных: Глиобластома, Разнообразие мышей и Сон. Институт Аллена надеется, что их результаты помогут продвинуть различные области науки, особенно те, которые связаны с пониманием нейробиологических заболеваний. Атласы бесплатны и находятся в открытом доступе в сети Интернет.

История

В 2001 году Пол Аллен собрал группу ученых, включая Джеймса Уотсона и Стивена Пинкера, чтобы обсудить будущее нейронауки и возможности для улучшения исследований в этой области (Jones 2009). В ходе этих встреч Дэвид Андерсон из Калифорнийского технологического института предложил идею о создании трехмерного атласа экспрессии генов в мозге мыши, который был бы чрезвычайно полезен для нейробиологического сообщества. Проект был начат в 2003 году благодаря пожертвованию в 100 миллионов долларов от Пола Аллена через Институт науки о мозге Аллена. В проекте использовалась методика картирования экспрессии генов, разработанная Грегором Эйхеле и его коллегами из Института биофизической химии имени Макса Планка в Геттингене, Германия. Эта методика основана на колориметрической in situ гибридизации для картирования экспрессии генов. В рамках проекта была поставлена цель завершить работу и сделать результаты общедоступными в течение трех лет. Первоначальный выпуск первого атласа – атласа мозга мыши – состоялся в декабре 2004 года. Впоследствии дополнительные данные для этого атласа публиковались поэтапно. Полный набор данных по всему геному был опубликован в сентябре 2006 года. Однако окончательный выпуск атласа не означал завершения проекта; атлас продолжает совершенствоваться. Кроме того, в Институте науки о мозге Аллена, в сотрудничестве с Атласом мозга мыши Аллена, разрабатываются и другие проекты, включая атлас человеческого мозга, атлас развивающегося мозга мыши, атлас развивающегося человеческого мозга, атлас связей мозга мыши, атлас мозга нечеловеческих приматов и атлас спинного мозга мыши.

Цели проекта

Главная цель и девиз всех проектов Института Аллена – «стимулировать научные открытия». Проект стремится реализовать эту цель и продвинуть науку несколькими способами. Прежде всего, они создают атласы мозга для лучшего понимания взаимосвязи между генами и работой мозга. Они стремятся продвинуть исследования и знания о нейробиологических состояниях, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и аутизм, посредством картирования экспрессии генов во всем мозге. Проекты «Атлас мозга» также следуют девизу Института Аллена, обеспечивая открытый доступ к данным и результатам. Эта политика также связана с другой целью Института: развитие совместных и междисциплинарных исследований. Таким образом, любой ученый любой специальности может ознакомиться с результатами и учитывать их при планировании собственных экспериментов. Кроме того, в открытом доступе находится приложение Brain Explorer.

Методы исследования

Институт науки о мозге Аллена применяет проектный подход к своим исследованиям. Каждый атлас мозга фокусируется на отдельном проекте, реализуемом собственной командой исследователей. Для создания атласа каждая исследовательская группа собирает и анализирует снимки мозга, медицинские данные, генетическую и психологическую информацию. На основе этих данных они создают трехмерную биохимическую карту мозга и определяют, какие белки экспрессируются в различных его областях. Для сбора необходимых данных ученые Института Аллена используют различные методики. Одна из них предполагает использование посмертного материала мозга и технологий сканирования для определения участков мозга, где гены активируются или деактивируются. Другая методика, называемая in situ гибридизацией, или ISH, позволяет визуализировать паттерны экспрессии генов в виде изображений in situ гибридизации. В Атласах мозга эти трехмерные цифровые изображения и графики ISH отображают цветными областями регионы, где экспрессируется конкретный ген. В Brain Explorer можно найти и выбрать любой ген, после чего соответствующее изображение in situ гибридизации появится в удобном для манипулирования и изучения формате. Создание этой анатомически ориентированной базы данных экспрессии генов включает в себя сопоставление данных ISH для каждого гена с трехмерным координатным пространством путем регистрации с использованием референсного атласа, созданного в рамках проекта.

Вклад в нейробиологию

Различные типы клеток в центральной нервной системе происходят из-за различной экспрессии генов. Карта экспрессии генов в мозге позволяет исследователям сопоставлять структуру и функции. Атлас мозга Аллена позволяет исследователям просматривать области различной экспрессии в мозге, что дает возможность визуализировать нейронные связи во всем мозге. Изучение этих путей посредством анализа различной экспрессии генов, а также методов функциональной визуализации, позволяет исследователям устанавливать связь между экспрессией генов, типами клеток и функцией путей в контексте поведения или фенотипов. Несмотря на то, что большинство исследований проводилось на мышах, 90% генов мышей имеют аналоги у человека. Это делает Атлас особенно ценным для моделирования неврологических заболеваний. Паттерны экспрессии генов у здоровых людей служат эталоном для сравнения и понимания измененных фенотипов. Расширение знаний, полученных при изучении болезней мышей, поможет лучше понять неврологические расстройства человека. Атлас может показать, какие гены и конкретные области мозга затронуты при неврологических расстройствах; влияние гена при заболевании можно оценить в сочетании с общими паттернами экспрессии, и эти данные могут пролить свет на роль конкретного гена в развитии расстройства.

Исследователь мозга

Сайт Allen Brain Atlas содержит загружаемый интерактивный 3D-исследователь мозга. Этот инструмент, по сути, является поисковой системой для определения местоположения экспрессии генов, что особенно полезно для поиска областей, экспрессирующих сходные гены. Пользователи могут выделять нейронные сети и пути, используя это приложение, соединяя области, совместно экспрессирующие определенный ген. Исследователь использует многоцветную шкалу и включает в себя несколько срезов мозга, позволяющих просматривать различия в плотности и уровне экспрессии. Изображения являются результатом объединения множества усредненных образцов, поэтому они полезны при сравнении с данными пациентов с аномально низкой экспрессией генов.

Мозг мыши

Атлас мозга мыши Аллена – это всеобъемлющий геномный атлас мозга взрослой мыши, показывающий места экспрессии каждого гена. Атлас мозга мыши был первым проектом Атласа мозга Аллена и завершен в 2006 году. Цель атласа – содействие развитию нейронаучных исследований. Предполагается, что атлас позволит ученым лучше понять болезни и расстройства мозга, такие как аутизм и депрессия. Атлас был создан для расширения исследований в различных областях нейронауки, включая нейрофармакологию, визуализацию мозга человека, генетику человека, нейроанатомию, геномику и другие. Атлас также направлен на углубление исследований психических расстройств и повреждений мозга, таких как болезнь Альцгеймера, аутизм, шизофрения и наркотическая зависимость.

Развитие мозга мыши

Атлас мозга мыши в развитии Ален – это атлас, отслеживающий экспрессию генов на протяжении развития мозга мыши C57BL/6. Проект был начат в 2008 году и продолжается по настоящее время. Атлас основан на магнитно-резонансной томографии (МРТ) и прослеживает рост, развитие белого вещества, связность и общее развитие мозга мыши C57BL/6 с 12-го эмбрионального дня до 80-го дня после рождения. Этот атлас расширяет возможности нейробиологов в изучении влияния загрязняющих веществ и генетических мутаций на развитие мозга. Таким образом, атлас может быть использован для определения токсинов, представляющих особую опасность для детей и беременных женщин.

Связь мозга мыши

Атлас связей мозга мыши Аллена был запущен в ноябре 2011 года. В отличие от других атласов Института Аллена, этот атлас посвящен выявлению нейронных цепей, определяющих поведение и функции мозга. Эти нейронные цепи отвечают за такие функции, как поведение и восприятие. Эта карта позволит ученым глубже понять принципы работы мозга и причины возникновения заболеваний и расстройств, таких как болезнь Паркинсона и депрессия.

Позвоночник мыши

В июле 2008 года был представлен Атлас спинного мозга мыши Аллена, ставший первой в мире картой экспрессии генов по всему геному спинного мозга мыши. Атлас спинного мозга представляет собой карту экспрессии генов по всему геному в спинном мозге взрослых и молодых мышей линии C57 black. Первоначальный релиз включал данные по 2000 генов и анатомический справочник. В будущем планируется расширить объем данных до примерно 20 000 генов, охватывающих всю длину спинного мозга. Целью создания атласа спинного мозга является содействие исследованиям в области лечения травм спинного мозга, заболеваний и расстройств, таких как болезнь Лу Герига и спинальная мышечная атрофия. Проект финансировался рядом доноров, включая Институт исследований Аллена, Исследовательский фонд парализованных ветеранов Америки, Ассоциацию по борьбе с боковым амиотрофическим склерозом (ALS), Wyeth Research, PEMCO Insurance, Национальное общество по борьбе с рассеянным склерозом, Международный траст по исследованию спинного мозга и множество других организаций, фондов, корпоративных и частных спонсоров.