Σε μια εργασία συστηματικής βιολογίας, οι ερευνητές του Πανεπιστημίου της Αλαμπάμα στο Μπέρμιγχαμ εντόπισαν 16 διακριτούς κυτταρικούς πληθυσμούς σε μια σύνθετη περιοχή του μεσεγκεφάλου που ονομάζεται κοιλιακή τεγμενική περιοχή ή VTA. Η VTA είναι σημαντική για το ρόλο του στη νευροδιαβίβαση της ντοπαμίνης που εμπλέκεται στην συμπεριφορά ανταμοιβής. Οι διαταραχές χρήσης ουσιών περιλαμβάνουν απορύθμιση αυτών των κυκλωμάτων ανταμοιβής, οδηγώντας σε επαναλαμβανόμενη αναζήτηση ναρκωτικών παρά τις δυσμενείς συνέπειες. Αυτά περιλαμβάνουν περισσότερους από 100.000 θανάτους από υπερβολική δόση ναρκωτικών στις Ηνωμένες Πολιτείες το πιο πρόσφατο έτος. Η VTA έχει επίσης ρόλο σε πολλές άλλες νευροψυχιατρικές διαταραχές.
Έτσι, η διεύρυνση της γνώσης για τη λειτουργία του είναι μια αρχή για την εξήγηση των μηχανισμών για τις διαταραχές χρήσης ουσιών που περιλαμβάνουν ναρκωτικά όπως η κοκαΐνη, το αλκοόλ, τα οπιοειδή και η νικοτίνη ή ψυχιατρικές διαταραχές όπως η σχιζοφρένεια και η ελλειμματική προσοχή, η υπερκινητικότητα ή η ΔΕΠΥ. Η ντοπαμίνη είναι ένας από τους νευροδιαβιβαστές που χρησιμοποιούνται από τον εγκέφαλο ως χημικοί αγγελιοφόροι για την αποστολή σημάτων μεταξύ των νευρικών κυττάρων. Ενώ δεκαετίες έρευνας έχουν επικεντρωθεί στη ντοπαμινεργική νευροδιαβίβαση στη VTA, υπάρχουν επίσης σημαντικές ενδείξεις για τη σημασία δύο άλλων νευροδιαβιβαστών που δρουν στη VTA σε συμπεριφορές που σχετίζονται με ανταμοιβή – το GABA και το γλουταμικό.
Υπάρχουν επίσης στοιχεία για συνδυαστικούς νευρώνες που μπορούν δυνητικά να συνθέσουν και να απελευθερώσουν πολλαπλούς νευροδιαβιβαστές. Αυτά υποδηλώνουν ένα επιπλέον επίπεδο πολυπλοκότητας στην κυτταρική και συναπτική λειτουργία VTA. Η συστηματική βιολογία είναι η επιστήμη της ταξινόμησης και συνήθως αναφέρεται στην ταξινόμηση των οργανισμών σε σχέση με τις φυσικές τους σχέσεις. Η μελέτη UAB VTA ταξινομεί τους κυτταρικούς πληθυσμούς για να επεκτείνει και να εμβαθύνει την προηγούμενη εργασία στους διαφορετικούς τύπους κυττάρων στη VTA, για να παρέχει ένα σημείο εκκίνησης για την αποκρυπτογράφηση των σχέσεων μεταξύ αυτών των κυττάρων και των ευρειών συνδέσεών τους με άλλες περιοχές του εγκεφάλου. Η έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο Cell Reports, έγινε από τους πρώτους συγγραφείς Robert A. Phillips III και Jennifer J. Tuscher, Ph.D., και τον αντίστοιχο συγγραφέα Jeremy J. Day, Ph.D.
Οι 16 διακριτοί κυτταρικοί πληθυσμοί αναγνωρίστηκαν από διαφορές στη γονιδιακή έκφραση μετά από αλληλουχία RNA μονού πυρήνα 21.600 κυττάρων από το VTA αρουραίου, δημιουργώντας έναν διαδικτυακό άτλαντα του VTA με δυνατότητα αναζήτησης. Ο αρουραίος είναι το κύριο μοντέλο για μελέτες ανταμοιβής και χρήσης ουσιών. Αυτή η αμερόληπτη προσέγγιση – σε αντίθεση με προηγούμενες μελέτες που επέλεξαν ορισμένα υποσύνολα κυττάρων για αλληλούχιση RNA – χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία της μεγαλύτερης και πιο ολοκληρωμένης μεταγραφικής ανάλυσης ενός κυττάρου που επικεντρώθηκε αποκλειστικά στη σύνθεση και τη μοριακή αρχιτεκτονική του VTA. Αν και ήταν ευρέως γνωστό ότι το VTA αποτελείται από ετερογενείς κυτταρικούς τύπους, ο άτλαντας UAB επεκτείνει αυτές τις μελέτες με πολλούς βασικούς τρόπους.
“Για παράδειγμα, προηγούμενες μελέτες αλληλουχίας μονοκυττάρου διεξήχθησαν αποκλειστικά στον εγκέφαλο ποντικιού και βασίστηκαν κυρίως στον προσδιορισμό της αλληλουχίας ενός υποσυνόλου ντοπαμινεργικών πληθυσμών του μεσεγκεφάλου που έχουν απομονωθεί με ταξινόμηση κυττάρων, αντί για δειγματοληψία όλων των τύπων κυττάρων VTA”, είπε ο Day. “Συγκεκριμένα, το σύνολο δεδομένων αλληλουχίας μας εστιάζει αποκλειστικά σε υποπεριοχές VTA, σε αντίθεση με άλλες μελέτες που έχουν επικεντρωθεί σε ομαδοποιημένα κύτταρα από τη μέλαινα ουσία ποντικού και τη VTA ή ένα υποσύνολο κυττάρων με σήμανση φθορισμού από γενικές περιοχές του μεσεγκεφάλου”. Οι 16 διαφορετικοί κυτταρικοί πληθυσμοί περιλαμβάνουν κλασικούς ντοπαμινεργικούς νευρώνες, τρεις υποομάδες γλουταμινεργικών νευρώνων και τρεις υποομάδες GABAergic νευρώνων, καθώς και εννέα άλλους κυτταρικούς τύπους, συμπεριλαμβανομένων των αστροκυττάρων και των νευρογλοιακών κυττάρων.
Μετά την υποομαδοποίηση των νευρωνικών κυττάρων, οι ερευνητές του UAB εντόπισαν επίσης τέσσερις υποσυστάδες που μπορεί να αντιπροσωπεύουν νευρώνες ικανούς για συνδυαστική απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών. Προσδιόρισαν επίσης επιλεκτικούς γονιδιακούς δείκτες για κλασικά καθορισμένους νευρώνες ντοπαμίνης και για τους συνδυαστικούς νευρώνες. Ένας επιλεκτικός δείκτης επιτρέπει τη στόχευση από ιούς διακριτών υποκατηγοριών VTA για λειτουργικές μελέτες. Οι ερευνητές εξέτασαν επίσης υποσυστάδες για νευροπεπτίδια οπιοειδών και τους υποδοχείς τους και εντόπισαν παν-νευρική αυξημένη έκφραση για γονίδια κινδύνου που σχετίζονται με σχιζοφρένεια και έναρξη καπνίσματος, καθώς και εμπλουτισμό γονιδίων κινδύνου ΔΕΠΥ σε δύο γλουταμινεργικούς νευρωνικούς πληθυσμούς.