Ученые обнаружили скрытую карту мозга с 539 отдельными регионами

Ученые десятилетиями изучают клетки мозга, их связи, гены и белки. Однако другая существенная часть биологии мозга получала гораздо меньше внимания: липиды. Эти жировые молекулы составляют мембраны, окружающие нейроны, участвуют в миелиновой изоляции, защищающей нервные волокна, и играют важную роль в общении между клетками мозга.

Хотя липиды являются фундаментальными для функции мозга, ученые столкнулись с трудностями при картировании того, где находятся различные типы липидов. Обычные методы визуализации не могут легко различить отдельные молекулы липидов, оставляя значительный пробел в нашем понимании химической организации мозга.

«Таким образом, у ученых было только размытое представление о том, как липиды различаются в разных частях мозга, — говорит Джованни Д'Анджело, профессор кафедры питания и метаболизма EPFL имени Кристиана Герхарда Йебсена. — Этот пробел важен, потому что изменения в мозговых липидах все чаще связывают с состояниями от депрессии до болезни Альцгеймера».

Исследователи EPFL сделали значительный шаг к заполнению этого пробела. Команда под руководством Д'Анджело, Луки Фусара Бассини и Джоэле Ла Манно создала детальную карту распределения липидов по всему мозгу мышей.

Их Атлас мозга липидов выявил, что эти молекулы расположены в высокоорганизованных структурах. Некоторые совпадают со знакомыми анатомическими структурами, а другие обнаруживают химические границы, которые предыдущие подходы не замечали. Структуры настолько отличительны, что исследователи могли определить происхождение образца мозговой ткани просто по ее липидному составу.

Для создания атласа исследователи использовали масс-спектрометрию визуализации — технику, позволяющую идентифицировать молекулы липидов на тонких срезах мозговой ткани. Лазер сканирует каждый срез по одному месту за раз, создавая детальную информацию о том, какие липиды присутствуют и где они находятся.

Команда исследовала 172 различных липида в 109 срезах мозга, собранных у 11 мышей. Это создало примерно 7 миллионов измерений, которые ученые объединили в полную трехмерную реконструкцию, используя инструменты машинного обучения, разработанные специально для проекта.

Полученный атлас выявил 539 химически отличающихся территорий, которые исследователи назвали «липизонами». Каждая имеет характерную комбинацию липидов, создавая узнаваемую химическую сигнатуру.

Много из этих регионов соответствуют установленным структурам мозга и типам клеток. Другие раскрывают неожиданные связи между группами нервных клеток и отдаленными регионами, связанными их волокнами. Такие связи часто было трудно обнаружить с помощью карт, основанных на активности генов.

«По сути, липиды работают как почтовые коды, давая отдаленным, но связанным между собой частям мозга одинаковый химический адрес», — говорит Д'Анджело.

Новый атлас также обнаружил удивительные различия в частях мозга, которые ученые ранее считали относительно однородными.

Одним ярким примером является белое вещество — ткань, содержащая нервные волокна, которые соединяют различные регионы мозга. Вместо того чтобы иметь в основном однородный химический состав, белое вещество содержит многочисленные отдельные липидные зоны.

«Это показывает, что клетки, создающие миелин, намного более разнообразны в своей химии, чем предполагают только их гены», — говорит Лука Фусара Бассини.

Исследователи также обнаружили ранее неизвестные химические границы в сосудистом сплетении — структуре, ответственной за производство спинномозговой жидкости, а также в тканях, выстилающих внутренние полости мозга.

Вместе эти находки показывают, что липидное картирование может выявить важные особенности организации мозга, которые не видны из анатомии или генетической информации.

Помимо определения химической структуры мозга, атлас предоставил новое понимание того, как эта структура меняется во время беременности.

Когда исследователи изучили беременных мышей, они обнаружили существенные сдвиги в липидном составе во многих регионах мозга. В целом эти изменения были более выраженными, чем типичные липидные различия, наблюдаемые между самцами и самками.

Кора, образующая внешний слой мозга, показала особенно обширные изменения. Между тем, уровни галактоцилцерамида, важного компонента миелина, резко возросли по всему большей части белого вещества мозга.

Эти находки предполагают, что беременность предполагает существенные изменения в химическом составе мозга, потенциально помогая его нервным связям адаптироваться к меняющимся требованиям организма.

«Вместе эти сдвиги предполагают, что мозг перестраивает свои собственные провода, чтобы удовлетворить требования беременности», — говорит Джоэле Ла Манно. «Атлас показывает, что мозг постоянно корректирует свои липиды, чтобы удовлетворить меняющиеся потребности организма».

Атлас мозга липидов свободно доступен в интернете, позволяя ученым по всему миру исследовать этот ранее трудно изучаемый аспект биологии мозга.

Объединив информацию о липидах с существующими генетическими и клеточными картами, исследователи могут получить более полное понимание того, как организован мозг и как его химия меняется со временем.

Атлас также устанавливает подробный справочник здоровой мозговой ткани мышей. Ученые могут использовать его для исследования того, как нарушения в распределении липидов могут способствовать развитию мозга, старению и нарушениям, таким как болезнь Альцгеймера и депрессия.

Хотя конкретная карта мозга мышей не может быть напрямую применена к человеку, подход, использованный для ее создания, может помочь исследователям выявить сравнимые закономерности в человеческом мозге.

«То, что переходит на людей, — это не карта, а метод, и тот факт, что мы теперь знаем, что здоровый мозг имеет очень организованную липидную карту вообще», — говорит Лука Фусара Бассини.