Ученые из Института мозга Крембила, входящего в Университетскую сеть здравоохранения (UHN), в сотрудничестве с коллегами из Центра наркологии и психического здоровья (CAMH) использовали драгоценный и редкий доступ к живой корковой ткани человека, чтобы определить функционально важные особенности, которые делают человеческие нейроны уникальны.
Эта экспериментальная работа является одной из первых в своем роде на живых нейронах человека и одним из крупнейших на сегодняшний день исследований разнообразия корковых пирамидных клеток человека.
«Цель этого исследования состояла в том, чтобы понять, что делает клетки человеческого мозга « человеческими »и как функционируют нейронные схемы человека», — говорит доктор Тауфик Валианте, нейрохирург, ученый из Института мозга Крембила при UHN и соавтор. на бумаге.
«В нашем исследовании мы хотели понять, чем пирамидные клетки человека, основной класс нейронов в неокортексе, различаются между верхним и нижним слоями неокортекса», — говорит доктор Шриджой Трипати, ученый из Центра нейроинформатики Крембил. CAMH и соавтор этого исследования.
«В частности, мы хотели понять, как электрические характеристики этих нейронов могут поддерживать различные аспекты межуровневой коммуникации и генерации мозговых ритмов, которые, как известно, нарушаются при таких заболеваниях мозга, как эпилепсия».
С согласия команда использовала ткань мозга сразу после того, как она была удалена во время обычной операции из мозга пациентов с эпилепсией и опухолями. Используя самые современные методы, команда смогла охарактеризовать свойства отдельных клеток в срезах этой ткани, включая визуализацию их детальной морфологии.
«Мало что известно о формах и электрических свойствах живых нейронов взрослого человека из-за редкости получения живой ткани человеческого мозга, поскольку существует мало других возможностей, кроме операции по лечению эпилепсии, для получения таких записей», — говорит д-р Валианте.
Чтобы сохранить жизнеспособность резецированной ткани, ее немедленно переносят в модифицированную спинномозговую жидкость в операционной, а затем доставляют прямо в лабораторию, где ее готовят для экспериментальной характеристики.
Человеческие ткани изучаются редко, потому что доступ к человеческим тканям для научных исследований требует сплоченного междисциплинарного сообщества, включая пациентов, желающих участвовать в исследованиях, специалистов по этике, обеспечивающих права и безопасность пациентов, нейрохирургов, собирающих и доставляющих образцы, и нейробиологов, имеющих необходимое исследовательское оборудование. изучить эти ткани.
После первоначального анализа члены Центра нейроинформатики Крембил использовали дальнейший крупномасштабный анализ данных, чтобы определить свойства, которые отличают нейроны в этой когорте друг от друга. Затем эти свойства сравнивали со свойствами других центров, выполняющих аналогичную работу с образцами тканей человеческого мозга , включая Институт исследований мозга Аллена в Сиэтле, штат Вашингтон.
В выводах команды отмечено:
Огромное разнообразие пирамидных клеток неокортекса человека
Отличительные электрофизиологические особенности нейронов, расположенных в разных слоях неокортекса человека.
Специфические особенности нейронов более глубокого слоя, позволяющие им поддерживать аспекты межуровневой коммуникации и генерацию функционально важных ритмов мозга.
Команды также обнаружили заметные и неожиданные различия между своими выводами и аналогичными экспериментами на доклинических моделях, которые, по мнению доктора Трипати, вероятно, отражают массовое расширение неокортекса человека над эволюцией млекопитающих и приматов.
«Эти результаты демонстрируют заметное разнообразие корковых пирамидных нейронов человека, различия между аналогично классифицированными человеческими и доклиническими нейронами, а также правдоподобную гипотезу о генерации кортикальных тета-ритмов человека, управляемых нейронами глубокого слоя», — говорит д-р Хомейра Моради Чаме. научный сотрудник лаборатории доктора Валианте в Институте мозга Крембила и ведущий автор исследования.
В общей сложности команда смогла охарактеризовать более 200 нейронов от 61 пациента, что отражает самый большой набор данных такого рода на сегодняшний день и включает в себя почти десятилетнюю кропотливую работу UHN и Института мозга Крембила.
«Этот уникальный набор данных позволит нам построить вычислительные модели отчетливо человеческого мозга, которые будут неоценимы для изучения явно человеческих невропатологий», — говорит доктор Скотт Рич, научный сотрудник лаборатории доктора Валианте в Krembil Brain. Институт и соавтор этой работы.
«Например, известно, что клеточные свойства, определяющие многие уникальные особенности этих нейронов , изменяются при определенных типах эпилепсии. Реализуя эти особенности в вычислительных моделях, мы можем изучить, как эти изменения влияют на динамику в различных пространственных масштабах человеческий мозг связан с эпилепсией, и способствует переводу этих «фундаментальных научных» результатов обратно в клинику и, возможно, в мотивацию для новых направлений в исследованиях эпилепсии ».
«Эти усилия были возможны только благодаря очень большой и активной программе эпилепсии в Институте мозга Крембила при UHN, одной из крупнейших программ такого рода в мире и самой большой программе такого рода в Канаде», — говорит доктор Валианте.
Исследование опубликовано в Nature Communications .