Исследователи Института перспективных наук и технологий Бекмана Джонатан Свидлер, профессор химии, и Фан Лам, профессор биоинженерии, обрисовали, как технологии пространственной омики могут выявить молекулярную сложность мозга в различных масштабах.
Их исследование опубликовано в журнале Nature Methods .
Исследователи и их коллеги использовали систему биохимической визуализации, интегрированную с глубоким обучением , для создания трехмерных молекулярных карт с клеточной специфичностью, чтобы лучше понять, как мозг функционирует в здоровом состоянии и при заболеваниях.
«Если посмотреть на мозг с химической точки зрения, он похож на суп с кучей ингредиентов», — сказал Лам. «Понимание биохимии мозга, того, как он организован пространственно-временно и как эти химические реакции поддерживают вычисления, имеет решающее значение для лучшего представления о том, как мозг функционирует как в здоровом состоянии, так и во время болезни».
Чтобы понять, как химические ингредиенты мозга взаимодействуют друг с другом, исследователи использовали новую технику визуализации, называемую масс-спектрометрией, для сбора и анализа огромных объемов данных с высоким разрешением. Они также использовали метаболомику отдельных клеток и вычислительные инструменты для извлечения данных об отдельных молекулах в отдельных клетках мозга, что позволило получать данные с беспрецедентной скоростью и в масштабах.
«Большинство людей считают, что такие заболевания головного мозга, как депрессия и болезнь Альцгеймера, вызваны нейрохимическим дисбалансом», — сказал Свидлер. «Но эти дисбалансы действительно трудно изучать, и трудно понять, как химические вещества взаимодействуют на разных уровнях (например, на уровне ткани и уровне отдельных клеток) во время проблем в мозге».
По словам Свидлера, создание трехмерных карт химического распределения с учетом клеточной специфичности позволяет исследователям глубже понять сложную биохимию мозга, что в долгосрочной перспективе должно помочь в борьбе с трудноизлечимыми в настоящее время неврологическими заболеваниями.
Метаболомика одноклеточных клеток, технология, имеющая решающее значение для выводов исследователей, была названа одной из «Семи технологий, за которыми стоит следить в 2023 году» по версии журнала Nature наряду с CRISPR и космическим телескопом Джеймса Уэбба, что говорит о высоком влиянии, которое эти инструменты будут продолжать оказывать. По словам Свидлера, у нас есть возможность изучить данные, специфичные для клеток.
Исследование было бы невозможно без сотрудничества Института Бекмана.
«Меня действительно поражает, как небольшие взаимодействия могут превратиться в интересные исследовательские беседы и, в конечном итоге, в крупномасштабные совместные исследования», — сказал первый автор Ричард Се, аспирант Института Бекмана. «Главное — быть непредубежденным и междисциплинарным, поскольку вы можете черпать вдохновение из другой области. Я очень воодушевлен прогрессом в использовании различного опыта разных групп для разработки инструментов, которые лучше отображают биохимический ландшафт мозга».
Лам и Свидлер встретились по просьбе Се, чтобы обсудить его работу по масс-спектрометрической визуализации отдельных клеток и тканей. Команда совершила прорыв в том, как информатика и вычислительные методы могут привести к новому виду мультимодальной, многомасштабной биохимической визуализации, о чем говорится в их недавней статье Nature Methods .
