发布时间：2024-04-02 15:09:07 栏目：精选百科
据大脑基金会估计，全世界有六分之一的人患有脑部疾病。目前的研究对大脑内部的细胞通讯提供了一些见解，但关于这个重要器官如何发挥作用仍然存在很多未知数。如果有一张综合地图不仅考虑了大脑的生物学，还考虑了生物学发生的具体位置，结果会怎样呢?
工程学院的研究人员开发了一种强大且经济高效的方法来做到这一点。
化学工程Fred W. Bull 教授 Chang Lu一直在领导一个可能对大脑研究具有开创性的研究项目。 《细胞报告方法》杂志上新发表的文章介绍了工程学院另外两个系的教师的跨学科研究：
贾晓婷，布拉德利电气与计算机工程系副教授
Daphne Yao，桑哈尼人工智能和数据分析中心计算机科学教授 兼附属教员
他们的目标是什么?以最具成本效益的方式在基因组规模上绘制和可视化大脑生物学，以改善健康功能。
“许多关于大脑的事实都是现象学的，这意味着我们知道它会发生，但我们不一定了解这些事件背后的分子活动。我认为这一直阻碍药物的开发，”卢说。 “从历史上看，治疗大脑疾病并不是通过理性设计，而是通过反复试验来完成的。通过参考图来解释大脑不同部分如何在分子水平上运作，这可以帮助研究人员开始开发不同的治疗方案。”
脑图谱的新变化
大脑健康很大程度上取决于脑细胞中的基因活动。当研究人员谈论遗传学时，他们本质上指的是 DNA 序列以及它如何影响人类健康。例如，如果序列中出现错误或改变，则可以诊断某些疾病。研究表明，大脑中可能发生其他化学变化，这些变化不会改变 DNA 序列，但会改变其他分子与 DNA 相互作用的方式。这种在不改变DNA序列的情况下影响基因活性的变化被称为表观基因组学，它同样会改变大脑内部的基因活性并引起各种疾病。
卢和他的同事有兴趣探索如何改变不同大脑区域的大脑表观基因组学，以应对活动变化或癫痫、癫痫、成瘾或其他精神疾病等特定情况。当前的大脑绘图过程涉及对单个细胞进行逐个分析。虽然这种方法提供了高空间分辨率并提供了有关大脑内部细胞通信的重要信息，但它成本高昂且乏味。卢和他的团队开发了一种更具成本效益的空间方法：表观基因组断层扫描。
表观基因组断层扫描涉及在大脑的大面积和体积内创建表观基因组的详细图谱或表观遗传变化的基因组规模概况。 Lu 认为，这是科学家用来了解影响基因在 DNA 序列之外的行为方式的遗传和环境因素的重要方法。
“当一个人癫痫发作、与毒瘾作斗争或患有任何类型的大脑疾病时，他们的大脑会经历表观基因组的改变，”卢说。 “创建大脑参考图来显示不同区域的健康大脑表观基因组的样子，可以为大脑发生变化(例如癫痫发作)时提供有用的比较点。”
药物开发的未来
通过他们的合作过程，研究小组能够创建一张地图，展示大脑何时经历癫痫发作以及何时经历正常活动。这是他们的跨学科方法：
将大脑分成小部分，厚度约为 0.5 毫米。这些部分被注册，这意味着研究人员知道特定部分在大脑的位置和区域方面来自哪里。
使用 Lu 实验室开发的低投入技术分别分析每一部分。
在 Yao 的帮助下，使用聚类算法根据这些部分的空间变化模式将特征分组为聚类。
在贾模型的帮助下，为健康和患病的大脑创建脑部断层扫描，以研究癫痫发作和其他脑部疾病的影响。
一旦大脑的数字断层扫描被重新组装，研究人员就得到了一张代表大脑重要区域表观基因组特征的图谱。当图谱发生变化时，这反映出大脑在表观基因组水平上的表现发生了重大变化，贾说这对于理解大脑疾病来说是开创性的。
贾说：“这个谜题中缺失的部分是在分子水平上对跨空间分布的大脑区域的癫痫发作过程的基本理解。” “我们的方法提供了一个强大的工具，使我们能够研究癫痫发作的大脑分子过程。”
他们的空间表观基因组分析结果将进一步帮助研究人员了解大脑不同区域的细胞在表观遗传特征方面如何表现不同。这种经济高效的方法还有助于确保可以研究大量的大脑样本，从而使结果具有统计显着性。
他们的研究资金来自对未来神经系统疾病药物开发感兴趣的各种来源，包括：
国立普通医学科学研究所
国家药物滥用研究所
国家神经疾病和中风研究所
卢相信他的团队的大脑图谱方法可能会对治疗大脑疾病的药物开发产生重大影响。他说：“我们希望更多的研究人员加入我们，在脑部疾病方面取得进展。对于患有抑郁症和成瘾的人来说，这是一项重要的研究。这占我们人口的很大比例。”
实验室内部合作
这种跨学科合作需要所有三个部门的专业知识。该研究小组得到了工程学院和工程健康关键技术与应用科学中心的支持。
“如果没有跨学科的密切合作，我们的研究结果是不可能实现的，”贾说。 “看到表观基因组断层扫描有助于理解癫痫发作背后的大大脑区域的空间动态过程，这真的很令人兴奋，我希望它能够在未来广泛应用于脑部疾病。”
那么大脑研究与工程学有什么关系呢?对于卢来说，这对于化学工程师来说是一个完美的项目。
“这个项目的技术开发部分就是传统上对工程的看法：解决问题、设计方法和开发技术。但我认为化学工程师特别具备化学、生物学和数据分析方面的丰富技能。每个方面都以某种方式参与到这个项目中，”卢说。 “当我的学生毕业时，我相信他们可以做所有这些事情，并看到每件事在他们的工作中的重要性。”
该项目中使用的工程专业知识并不止于此。姚使用统计算法来简化和组织大量表观基因组数据，使有意义的模式脱颖而出，例如健康和患病大脑的表观基因组有何不同。
“这个项目产生的生物数据量巨大，需要针对这个具体问题设计定制的数据处理方法，”姚说。 “看到聚类算法被用于生物医学研究真是太令人兴奋了——下次我教授机器学习时可以吹嘘这一点。”
免责声明：本文由用户上传，如有侵权请联系删除！
