Un censimento cellulare multimodale e un atlante della corteccia motoria primaria dei mammiferi

Natura volume 598, pagine 86–102 (2021)Citare questo articolo

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Qui riportiamo la generazione di un censimento cellulare multimodale e di un atlante della corteccia motoria primaria dei mammiferi come prodotto iniziale del BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN). Ciò è stato ottenuto mediante analisi coordinate su larga scala di trascrittomi unicellulari, accessibilità della cromatina, metilomi del DNA, trascrittomi unicellulari risolti spazialmente, proprietà morfologiche ed elettrofisiologiche e mappatura input-output della risoluzione cellulare, integrati tramite analisi computazionale cross-modale. I nostri risultati migliorano la conoscenza e la comprensione collettiva dell'organizzazione di tipo cellulare cerebrale1,2,3,4,5. Innanzitutto, il nostro studio rivela un panorama genetico molecolare unificato di tipi di cellule corticali che integra il loro trascrittoma, la cromatina aperta e le mappe di metilazione del DNA. In secondo luogo, l’analisi tra specie raggiunge una tassonomia consensuale dei tipi trascrittomici e della loro organizzazione gerarchica che viene conservata dal topo all’uistitì e all’uomo. In terzo luogo, la trascrittomica unicellulare in situ fornisce un atlante di tipo cellulare della corteccia motoria risolto spazialmente. In quarto luogo, l'analisi cross-modale fornisce prove convincenti della base trascrittomica, epigenomica e di regolamentazione genetica dei fenotipi neuronali, come le loro proprietà fisiologiche e anatomiche, dimostrando la validità biologica e il supporto genomico dei tipi di neuroni. Presentiamo inoltre un ampio set di strumenti genetici per indirizzare i tipi di neuroni glutammatergici verso il collegamento della loro identità molecolare e di sviluppo alla loro funzione circuitale. Insieme, i nostri risultati stabiliscono un quadro unificante e meccanicistico dell'organizzazione del tipo di cellula neuronale che integra informazioni genetiche molecolari e spaziali multistrato con proprietà fenotipiche sfaccettate.

Unico tra gli organi del corpo, il cervello umano è una vasta rete di unità di elaborazione delle informazioni, comprendente miliardi di neuroni interconnessi attraverso trilioni di sinapsi. Diverse cellule neuronali e non neuronali mostrano un’ampia gamma di proprietà molecolari, anatomiche e fisiologiche che insieme modellano le dinamiche di rete e i calcoli alla base delle attività e del comportamento mentale. Le reti cerebrali si autoassemblano durante lo sviluppo, sfruttando le informazioni genomiche modellate dall’evoluzione per costruire una serie di impalcature di rete stereotipate che sono in gran parte identiche tra gli individui; le esperienze di vita personalizzano quindi i circuiti neurali in ciascun individuo. Un passo essenziale verso la comprensione dell’architettura, dello sviluppo, della funzione e delle malattie del cervello è scoprire e mappare i suoi elementi costitutivi di neuroni e altri tipi di cellule.

La nozione di "tipo neurone", con proprietà simili tra i suoi membri, come unità di base dei circuiti cerebrali è un concetto importante da oltre un secolo; tuttavia, le definizioni rigorose e quantitative sono rimaste sorprendentemente sfuggenti1,2,3,4,5. I neuroni sono notevolmente complessi ed eterogenei, sia localmente che nelle loro proiezioni assonali a lungo raggio, che possono estendersi all’intero cervello e connettersi a molte regioni bersaglio. Molte tecniche convenzionali analizzano un neurone alla volta e spesso studiano solo uno o due fenotipi cellulari in modo incompleto (ad esempio, pergole assonali mancanti in bersagli distanti). Di conseguenza, nonostante gli importanti progressi compiuti negli ultimi decenni, le analisi fenotipiche dei tipi di neuroni sono rimaste fortemente limitate in termini di risoluzione, robustezza, completezza e produttività. Le complessità nella relazione tra diversi fenotipi cellulari (corrispondenza multimodale) hanno alimentato dibattiti di lunga data sulla classificazione neuronale6.

Le tecnologie di genomica unicellulare forniscono una risoluzione e una produttività senza precedenti per misurare i profili trascrittomici ed epigenomici delle singole cellule e hanno rapidamente influenzato molte aree della biologia, comprese le neuroscienze, promettendo di catalizzare una trasformazione dalla descrizione e classificazione fenotipica a un quadro genetico molecolare meccanicistico ed esplicativo per le basi cellulari dell’organizzazione cerebrale. L'applicazione del sequenziamento dell'RNA di un'unica cellula (scRNA-seq) alla neocorteccia e ad altre regioni del cervello ha rivelato un'organizzazione gerarchica complessa ma trattabile dei tipi di cellule trascrittomiche che è complessivamente coerente con le conoscenze di decenni di studi anatomici, fisiologici e di sviluppo ma con un livello di granularità senza pari7,8,9,10,11. Allo stesso modo, gli studi sulla metilazione del DNA di singole cellule e sull'accessibilità della cromatina hanno iniziato a rivelare paesaggi epigenetici a livello dell'intero genoma specifici del tipo di cellula e reti di regolazione dei geni nel cervello12,13,14,15. In particolare, la scalabilità e l'elevato contenuto di informazioni di questi metodi consentono un'analisi quantitativa e una classificazione complete di tutti i tipi di cellule, che sono facilmente applicabili ai tessuti cerebrali di tutte le specie e forniscono un mezzo quantitativo di analisi comparativa16,17.