Nytt hjernekart kobler mus og primater – kan løse det store forskningsgapet

Nøkkelinnsikten bak kartet er at den mest pålitelige måten å sammenligne hjerner på tvers av arter, er å starte på det minste, mest detaljerte nivået. Teamet forankret sammenligningen på de minste, mest granulære underinndelingene av hjernen – det forskerne kaller leaf-level-områder (bladnivå-områder) .

Mens større hjernestrukturer ofte har inkonsistente navn og grenser på tvers av forskjellige atlas, er de fleste atlas bemerkelsesverdig enige om disse minste identifiserbare bitene. Professor Mitra forklarte tilnærmingen med en enkel analogi: "Tenk på stater og byer. New York City kan hete New York i ett atlas og New Amsterdam i et annet, men alle på det lokale nivået vet nøyaktig hva du snakker om" . Ved å matche disse grunnleggende byggesteinene først, kunne teamet deretter pålitelig bygge opp korrespondanser mellom større hjerneområder på tvers av de to artene.

Systematisk gjennomgang av forskning

Teamet analyserte data fra over 100 publiserte studier, der hver enkelt brukte teknikker som injeksjon av nervebanesporstoffer og histologisk kartlegging for å definere hjerneområder hos mus og silkeaper . Systematisk gjennomgang gjorde det mulig å forene inkonsekvenser mellom flere mye brukte hjerneatlas for begge arter.

Kvantitativt korrespondanse-rammeverk

Ved hjelp av beregningsmessige og statistiske verktøy i MATLAB sammenlignet forskerne romlige, strukturelle og tilkoblingsprofiler av leaf-level-områder på tvers av mus og silkeaper . De etablerte fem typer korrespondanse mellom hjernestrukturer og fant at 43 % av musas leaf-level-hjernestrukturer har én-til-én-korrespondanser med silkeapens strukturer . De resterende strukturene er enten artsspesifikke eller har mer komplekse forhold.

Hvordan dette kartet løser oversettelsesproblemet

Det evolusjonære gapet

Hovedutfordringen er at gnagerhjernen skilte lag fra primatlinjen for omtrent 90 millioner år siden . Mange legemidler og funn om nervebaner som er lovende i gnagere, feiler i kliniske studier på mennesker fordi hjernene på et grunnleggende nivå er bygget opp forskjellig.

Silkeaper, som er såkalte 'New World'-primater, har en mye mer lik hjernebygning med mennesker. Ved å kartlegge hvilke musehjerneområder som har direkte homologer hos silkeaper, forteller det nye atlasset forskere hvilke aspekter av gnagerbasert nevrovitenskap som sannsynligvis vil holde mål hos primater.

En praktisk oversettelsesbro

Slik kan forskere bruke kartet i praksis:

• Hvis et gnagerfunn involverer et hjerneområde som kartlegges rent til en silkeape- (og dermed menneske-) struktur, er det en sterkere kandidat for vellykket oversettelse til mennesker .
• Hvis et funn involverer et gnagerspesifikt område uten primat-motstykke, er funnet neppe overførbart til mennesker .

Innvirkning på legemiddelutvikling

Kartet lar forskere sjekke om et legemiddelmål eller en manipulasjon av nervebaner som fungerer i en musemodell, har et analogt motstykke i en ikke-menneskelig primathjerne før de går videre til dyre menneskelige forsøk. Dette kan bidra til å prioritere de mest lovende legemiddelkandidatene og redusere den høye feilraten for eksperimentelle behandlinger som lykkes hos gnagere, men feiler hos mennesker .

Større sammenheng

Dette tverrartslige hjernakartet bygger på flere tiår med hjernearbeid ved CSHL, inkludert Musehjernearkitektur-prosjektet og bidrag til Brain/MINDS marmoset-konnektivitetsatlasset i Japan . Det gir et samlet rammeverk for å sammenligne hjernestruktur på tvers av pattedyrslekten.

For forskere som utvikler nye behandlinger for nevrologiske og psykiatriske tilstander, gir dette kartet en sårt tiltrengt realitetssjekk – og en måte å fokusere ressursene på funnene som mest sannsynlig vil ta spranget fra mus til menneske.

Hovedpoeng

43 % av musas leaf-level-hjerneområder har direkte én-til-én-motstykker i silkeapehjernen, ifølge CSHL-teamets analyse . De resterende områdene kan være artsspesifikke tilpasninger. Dette tverrartslige kartet gir nevroforskere et systematisk verktøy for å avgjøre hvilke gnagerfunn som er verdt å forfølge hos primater – og hvilke som sannsynligvis er evolusjonære blindveier for menneskelig medisin.