על ידי שילוב מקורות נתונים מגוונים, חוקרים חושפים כיצד מנגנונים תאיים משפיעים על דפוסי קישוריות מוחיים בודדים, ומגשרים בין פרטים מולקולריים עם תפקוד מוח בקנה מידה גדול.
לִלמוֹד: אינטגרציה על פני סולמות ביו-פיזיקליים מזהה קורלציות מולקולריות ותאיות של שונות מאדם לאדם בקישוריות המוח האנושית. קרדיט תמונה: Shutterstock AI / Shutterstock.com
במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת מדעי המוח בטבע, חוקרים חוקרים קשרים בין תחליפים ביוכימיים וקישוריות תפקודית בין אזורי מוח.
גישות חדשות למחקר מדעי המוח
אחת המטרות העיקריות של מדעי המוח היא להבהיר את תפקידם של רכיבים בקנה מידה מיקרו, כולל מולקולות חלבון ומבנים תאיים, בתקשורת בין אזורי מוח נפרדים. עד כה, המנגנונים המולקולריים המעורבים בקישוריות הפונקציונלית בתוך המוח נותרו לא ברורים למרות מחקר מולקולרי ונוירו-דמייה שחושף באופן עצמאי קוגניציה ותפקוד מוחי.
עד כה, נתוני הדמיה עצבית לפני המוות ונתוני אומיקה מולקולרית שלאחר המוות נאספו בנפרד, ולעתים נדירות, מאותו אדם, מה שמנע את הניתוח של השוואות נתונים לפני ואחרי המוות ספציפיים למטופל.
פתרון פוטנציאלי לפער הנתונים הזה הוא רכישת שורות מרובות של נתוני קדם המוות ואחרי המוות ממאגר דגימות אנושי עקבי. עם זאת, המורכבות של גישה זו מנעה את תיקוף השערה זו.
לגבי המחקר
המחקר הנוכחי השתמש בשישה מקורות נתונים ייחודיים, כולל ניתוחים לפני ואחרי המוות של מתנדבים קשישים, כדי לזהות מנגנונים מולקולריים המעורבים בקישוריות המוח. קבוצת המחקר כללה 98 מבוגרים, 77% מהם נשים, ממחקר המסדרים הדתיים ופרויקט הזיכרון והזדקנות העומס (ROSMAP).
בעודם בחיים, החולים עברו הדמיית תהודה מגנטית (MRI) וסיפקו דגימות לרצף גנטי. שפע חלבון, ביטוי גנים ומורפומטריה דנדרטית של עמוד השדרה נקבעו לאחר המוות. איסוף הנתונים כלל הערכות קליניות שנתיות, לצד איסוף נתונים לפני המוות, ותרומות מוח של המשתתפים לנתונים שלאחר המוות.
מכיוון שהמספר הגבוה של חלבונים מזוהים עשוי להיות שונה בשפע היחסי שלהם וברמות הביטוי שלהם בין המשתתפים ובין קישוריות בין אזור המוח, החוקרים התמקדו בקישוריות בין הג'ירוס הקדמי העליון (SFG) לבין הג'ירוס הטמפורלי התחתון (ITG).
הליכים ניסויים כללו סריקות MRI מבניות ופונקציונליות (fMRI) להשגת נתוני הדמיה עצבית, ספקטרומטריית מסה מסה מרובת טנדם (TMT-MS) וכרומטוגרפיית נוזלים בשילוב עם ספקטרומטריית מסה טנדם (LS-MS/MS) לניתוח פרוטאומי, בדיקת חומצה ביצינצ'ונינית להערכת ריכוז חלבון, ופלטפורמת Illumina TruSeq לנתונים תעתיקים. להערכות מורפומטריה דנדרטית של עמוד השדרה, דגימות SFG ו-ITG שנכרתו הועברו לצביעה של Golgi-Cox ואחריה הדמיית מיקרוסקופיה בשדה בהיר.
נתוני fMRI במצב מנוחה מהאטלס הפונקציונלי Schaefer2018 שימשו כדי להפריד את המוח לאזורים הומוגניים מבחינה תפקודית, ובכך אפשרו להעריך את הקישוריות הפונקציונלית בין SFG ו-ITG. אטלס Desikan-Killiany-Tourville (DKT), בד בבד עם פלטפורמת פני השטח הקורטיקליים של Freesurfer, שימש כדי להפיק קווריאציה מבנית מנתונים מורפולוגיים של המוח של המשתתפים.
בוצעו גם אומדן מודל מולקולרי באמצעות SpeakEasy, אפיון פרוטאומי ממסד הנתונים של GSEA וניתוח אסוציאציות ברמת המודול והמולקולה.
ממצאי המחקר
הגילאים הממוצעים של המשתתפים בזמן הדמיית MRI והתמותה היו 88 ו-91 שנים, בהתאמה. תכונות מבניות שחולצו מאטלס פונקציונלי Schaefer2018 שולבו עם מערכי נתונים של אטלס DKT כדי להפריד את המוח ל-62 אזורים אנטומיים ייחודיים. חקירות פרוטאומיות של מערכות מולקולריות SFG ו-ITG גילו חפיפה משמעותית של גנים/חלבון בין אזורים אלה.
אפיון מורפולוגיה דנדריטי של עמוד השדרה במקביל לניתוח GSEA חשף העשרה הקשורה לחלבון בצפיפות עמוד השדרה, בסינפסות ובציטושלדי אקטין. אסוציאציות תפקודיות, כולל שחרור נוירוטרנסמיטר ואיתות סינפטי, הועשרו גם הם. יש לציין כי ה-SFG וה-ITG נבדלו סטטיסטית בצפיפות עמוד השדרה שלהם, בצפיפות הפילופודיה ובקוטר ראש עמוד השדרה של הפטריות.
המחקר הנוכחי אימת את הרלוונטיות של שימוש בנתונים של לפני המוות ושלאחר המוות ביחד על ידי הדגשת שפע מולקולרי ודפוסי קישוריות מוחיים. דפוסים אלה מדגימים ספציפיות אזורית משמעותית, ובכך מחייבים מחקר עתידי על קישוריות בין אזורי מוח אחרים. נתונים מולקולריים ונוירו-דמייה הצביעו על התאמה חזקה עם התוצאות, המאששות את חוסנה של גישה זו.
למחקר שלנו יש השלכות רחבות יותר בכך שהוא מדגים את ההיתכנות של זיהוי סנכרון בין מערכות בקנה מידה שונה בבני אדם, מה שמהווה צעד לקראת הבנה קוהרנטית יותר של תפקוד המוח."
מסקנות
המחקר הנוכחי הוא הראשון שמשלב נתוני קדם מוות ונתיחה שלאחר המוות מאותם אנשים. ממצאים אלה חושפים מאות חלבונים ייחודיים הקשורים לקישוריות בין אזור המוח, 12 מהם הראו קשרים סיבתיים, בעוד שאחרים הראו תרומה מבנית.
תוצאות אלו מספקות הבנה טובה יותר של האסוציאציות המולקולריות השונות המעורבות בקישוריות מוח-אזור. החוקרים גם אפיינו בהצלחה קבוצה חזקה של חתימות מולקולריות שניתן להשתמש בהן לחקירות קישוריות עתידיות ולמחקר גילוי תרופות במוח.
רכישת נתונים על פני נקודות המבט העיקריות במדעי המוח האנושי מאותה קבוצה של מוחות היא הבסיס להבנה כיצד תפקוד המוח האנושי נתמך במספר קנה מידה ביופיזי".
