Um censo celular multimodal e atlas do córtex motor primário de mamíferos

Nature volume 598, páginas 86–102 (2021) Cite este artigo

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Aqui nós relatamos a geração de um censo de células multimodais e atlas do córtex motor primário de mamíferos como o produto inicial da BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN). Isso foi alcançado por análises coordenadas em grande escala de transcriptomas de célula única, acessibilidade da cromatina, metilomas de DNA, transcriptomas de célula única resolvidos espacialmente, propriedades morfológicas e eletrofisiológicas e mapeamento de entrada-saída de resolução celular, integrados por meio de análise computacional modal cruzada. Nossos resultados avançam no conhecimento coletivo e na compreensão da organização do tipo de célula cerebral1,2,3,4,5. Primeiro, nosso estudo revela uma paisagem genética molecular unificada de tipos de células corticais que integra seus mapas de transcriptoma, cromatina aberta e metilação do DNA. Em segundo lugar, a análise entre espécies alcança uma taxonomia consensual de tipos transcriptômicos e sua organização hierárquica que é conservada de camundongos a saguis e humanos. Em terceiro lugar, a transcriptômica de célula única in situ fornece um atlas de tipo de célula espacialmente resolvido do córtex motor. Em quarto lugar, a análise modal cruzada fornece evidências convincentes para a base transcriptômica, epigenômica e reguladora de genes de fenótipos neuronais, como suas propriedades fisiológicas e anatômicas, demonstrando a validade biológica e a base genômica dos tipos de neurônios. Apresentamos ainda um extenso conjunto de ferramentas genéticas para direcionar os tipos de neurônios glutamatérgicos para vincular sua identidade molecular e de desenvolvimento à sua função de circuito. Juntos, nossos resultados estabelecem uma estrutura unificadora e mecanicista da organização do tipo de célula neuronal que integra informações genéticas e espaciais moleculares multicamadas com propriedades fenotípicas multifacetadas.

Único entre os órgãos do corpo, o cérebro humano é uma vasta rede de unidades de processamento de informações, compreendendo bilhões de neurônios interconectados por trilhões de sinapses. Diversas células neuronais e não neuronais exibem uma ampla gama de propriedades moleculares, anatômicas e fisiológicas que, juntas, moldam a dinâmica da rede e os cálculos subjacentes às atividades e comportamentos mentais. As redes cerebrais se automontam durante o desenvolvimento, aproveitando a informação genômica moldada pela evolução para construir um conjunto de andaimes de rede estereotipados que são amplamente idênticos entre os indivíduos; as experiências de vida personalizam os circuitos neurais de cada indivíduo. Um passo essencial para a compreensão da arquitetura, desenvolvimento, função e doenças do cérebro é descobrir e mapear seus elementos constituintes dos neurônios e outros tipos de células.

A noção de um 'tipo de neurônio', com propriedades semelhantes entre seus membros, como a unidade básica dos circuitos cerebrais tem sido um conceito importante por mais de um século; no entanto, definições rigorosas e quantitativas permaneceram surpreendentemente elusivas1,2,3,4,5. Os neurônios são notavelmente complexos e heterogêneos, tanto localmente quanto em suas projeções axonais de longo alcance, que podem abranger todo o cérebro e se conectar a muitas regiões-alvo. Muitas técnicas convencionais analisam um neurônio de cada vez e muitas vezes estudam apenas um ou dois fenótipos celulares de forma incompleta (por exemplo, faltando arbours axonal em alvos distantes). Como resultado, apesar dos grandes avanços nas últimas décadas, as análises fenotípicas dos tipos de neurônios permaneceram severamente limitadas em resolução, robustez, abrangência e rendimento. Complexidades na relação entre diferentes fenótipos celulares (correspondência multimodal) alimentaram debates de longa data sobre a classificação neuronal6.

As tecnologias de genômica de célula única fornecem resolução e rendimento sem precedentes para medir os perfis transcriptômicos e epigenômicos de células individuais e influenciaram rapidamente muitas áreas da biologia, incluindo a neurociência, prometendo catalisar uma transformação da descrição e classificação fenotípica para uma estrutura genética molecular mecanicista e explicativa para a base celular da organização cerebral. A aplicação do sequenciamento de RNA de célula única (scRNA-seq) ao neocórtex e outras regiões do cérebro revelou uma organização hierárquica complexa, mas tratável, de tipos de células transcriptômicas que são consistentes em geral com o conhecimento de décadas de estudos anatômicos, fisiológicos e de desenvolvimento, mas com um nível inigualável de granularidade7,8,9,10,11. Da mesma forma, os estudos de metilação do DNA de uma única célula e de acessibilidade da cromatina começaram a revelar paisagens epigenéticas amplas do genoma específico do tipo de célula e redes reguladoras de genes no cérebro12,13,14,15. Notavelmente, a escalabilidade e o alto conteúdo de informações desses métodos permitem análise quantitativa abrangente e classificação de todos os tipos de células, que são prontamente aplicáveis ​​a tecidos cerebrais em todas as espécies e fornecem um meio quantitativo de análise comparativa16,17.