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.
as of May 2012, seven brain atlases have been published: Mouse Brain Atlas, Human Brain Atlas, Developing Mouse Brain Atlas, Developing Human Brain Atlas, Mouse Connectivity Atlas, Non Human Primate Atlas, and Mouse Spinal Cord Atlas. There are also three related projects with data banks: Glioblastoma, Mouse Diversity, and Sleep. It is the hope of the Allen Institute that their findings will help advance various fields of science, especially those surrounding the understanding of neurobiological diseases. The atlases are free and available for public use online.
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.