Kognitivní genomika (Neurative Genomics) je dílčí obor genomiky týkající se kognitivních funkcí, ve kterém jsou studovány geny a nekódující sekvence genomu organismu související se zdravím a činností mozku. Použitím srovnávací genomiky jsou porovnávány genomy více druhů s cílem identifikovat genetické a fenotypové rozdíly mezi druhy. Pozorované fenotypové charakteristiky související s neurologickou funkcí zahrnují chování, osobnost, neuroanatomii a neuropatologii. Teorie kognitivní genomiky je založena na prvcích genetiky, evoluční biologie, molekulární biologie, kognitivní psychologie, behaviorální psychologie a neurofyziologie.
Inteligence je nejrozsáhleji studovaná behaviorální vlastnost. U lidí je přibližně 70% všech genů exprimováno v mozku. Genetická variace představuje 40% fenotypické variace. Přístupy v kognitivní genomice byly použity k prozkoumání genetických příčin mnoha duševních a neurodegenerativních poruch včetně Downova syndromu, závažné depresivní choroby, autismu a Alzheimerovy choroby.
Testování kognitivní genomiky
Nejčastěji používaným přístupem ke zkoumání genomu je evoluční genomická biologie neboli Evo-Geno, v níž se porovnávají genomy dvou druhů, které mají společného předka. Běžným příkladem Evo-Gena je srovnávací kognitivní genomické testování mezi lidmi a šimpanzi, kteří měli společného předka před 6-7 miliony let. Zkoumají se vzorce v lokální genové expresi a sestřihu genů, aby se určila genomová diferenciace. Srovnávací transkripční analýzy provedené na mozku primátů za účelem měření hladin genové exprese ukázaly významné rozdíly mezi lidským a šimpanzím genomem. Přístup Evo-Geno byl také použit k ověření teorie, že lidé a subhumánní primáti sdílejí podobné hladiny exprese v genech souvisejících s energetickým metabolismem, které mají důsledky pro stárnutí a neurodegenerativní onemocnění.
Evoluční vývojová biologie (Evo-Devo) přístup porovnává kognitivní a neuroanatomické vývojové vzorce mezi množinami druhů. Studie mozku lidského plodu odhalují, že téměř třetina exprimovaných genů je regionálně diferencovaná, mnohem více než nelidské druhy. Toto zjištění by potenciálně mohlo vysvětlit odchylky v kognitivním vývoji mezi jednotlivci. Neuroanatomické studie Evo-Devo spojují vyšší mozkový řád s lateralizací mozku, která je sice přítomna u jiných druhů, ale u lidí je vysoce uspořádaná.
Evoluční fenotypová biologie (Evo-Pheno) přístup zkoumá fenotypovou expresi mezi druhy. Evoluční patologická biologie (Evo-Patho) přístup zkoumá prevalenci onemocnění mezi druhy.
V genomice je gen, který je zobrazován a analyzován, označován jako kandidátní gen. Ideálními kandidátními geny pro srovnávací genomické testování jsou dobře definované funkční polymorfismy se známými účinky na neuroanatomické a/nebo kognitivní funkce. Stačí však geny s identifikovanými jednonukleotidovými polymorfismy nebo alelárními variacemi s možnými funkčními důsledky na neuroanatomické systémy. Čím slabší je spojení mezi genem a fenotypem, tím obtížnější je stanovit kauzalitu pomocí testování.
Kontrola pro negenetické faktory
Jiné než genetické faktory, jako je věk, nemoc, úraz nebo zneužívání látek, mohou mít významný vliv na expresi genů a fenotypovou varianci. Identifikaci a příspěvek genetické variace ke specifickým fenotypům lze provést pouze tehdy, pokud lze v rámci genotypových skupin přiřadit další potenciální přispívající faktory. V případě neurozobrazování během výkonu úlohy, například při fMRI, jsou skupiny přiřazeny úrovní výkonnosti. Jiné než genetické faktory mají obzvláště velký potenciální vliv na kognitivní vývoj. V případě autismu tvoří negenetické faktory 62% rizika onemocnění.
Za účelem studia spojitosti mezi kandidátním genem a navrhovaným fenotypem je subjektu často zadán úkol, který vyvolá behaviorální fenotyp, zatímco podstupuje nějakou formu neurozobrazování. Mnoho behaviorálních úkolů používaných pro genomické studie jsou modifikované verze klasických behaviorálních a neuropsychologických testů určených ke zkoumání nervových systémů kritických pro konkrétní chování.
Druhy používané ve srovnávací kognitivní genomice
V roce 2003 vytvořil projekt Lidský genom první kompletní lidský genom. Navzdory úspěchu projektu je o kognitivní genové expresi známo jen velmi málo. Před rokem 2003 byly veškeré důkazy týkající se propojení lidského mozku založeny na posmrtných pozorováních. Kvůli etickým obavám nebyly na živých lidech provedeny žádné invazivní in vivo genomické studie.
Jelikož jsou subhumánní primáti nejbližšími genetickými příbuznými člověka, jsou nejvhodnějšími genomickými zobrazovacími subjekty. Ve většině případů jsou primáti snímáni v narkóze. Vzhledem k vysokým nákladům na chov a udržování populací primátů se genomové testování subhumánních primátů obvykle provádí ve výzkumných zařízeních pro primáty, jako je Yerkes National Primate Research Center při Emory University.
Šimpanzi (pan troglodytes) jsou nejbližšími genetickými příbuznými člověka, sdílejí genetickou podobnost z 93,6%. Předpokládá se, že lidé a šimpanzi měli společného genetického předka zhruba před 7 miliony let. Hnutí za sekvenci šimpanzího genomu začalo v roce 1998 a vysokou prioritu mu přisoudil americký Národní institut zdraví (NIH).
V současné době mají lidé a šimpanzi jediný sekvenovaný genom v rozšířené čeledi primátů. Některá srovnání autosomálních intergenních neopakujících se segmentů DNA naznačují již 1,24% genetický rozdíl mezi lidmi a šimpanzi v určitých úsecích. Přes genetickou podobnost je 80% proteinů mezi oběma druhy rozdílných, což podceňuje jasné fenotypové rozdíly.
Makakové rhesus (Macaca mulatta) vykazují přibližně 93% genetickou podobnost s lidmi. Často se používají jako mimoskupina v genomických studiích lidí a šimpanzů. Lidé a makakové rhesus měli společného předka odhadem před 25 miliony let.
Orangutani (Pongo pygmaeus) a gorily (Gorilla gorilla) byly použity v genomických testech, ale nejsou běžnými subjekty kvůli nákladům.
V minulém desetiletí byla zobrazovací genomice věnována podstatně větší pozornost. Před rokem 2003 bylo publikováno pouze 10 recenzovaných prací o zobrazovací genomice ve srovnání se 14 publikovanými pouze v roce 2006.
Funkční magnetická rezonance (fMRI) je široce dostupná zobrazovací technika, která měří změny v průtoku krve v zobrazované tkáni. Běžně se používá v neurofyziologických studiích ke stanovení aktivace neuronu. Na rozdíl od standardní MRI lze fMRI použít k aktivnímu měření neuronální aktivity subjektu při provádění úkonů pacientem. Tato technika se nepoužívá u vědomých primátů, kteří nejsou lidmi, vzhledem k neschopnosti primáty při zobrazování zadržet. FMRI však ilustruje regionální mozkovou aktivitu při provádění na primátech, kteří prováděli úkony po delší dobu a poté byli umrtveni.
Difúze Tensor Imaging je zobrazovací technika, která měří difúzi vody přes membránu. V neurofyziologických studiích se používá k určení neuronálních spojení podél traktů šedé hmoty. DTI je zvláště účinná v neurologickém zobrazování díky vysokému stupni směrové organizace v nervové tkáni, konkrétně spojení mezi mozkovou kůrou a thalamem. Vzhledem ke své neinvazivní povaze je nejvhodnější zobrazovací technikou pro použití u subhumánních primátů.
Pozitronová emisní tomografie (PET) je běžná diagnostická zobrazovací technika, při které je pacientovi injekčně aplikováno radioaktivní barvivo. Fluorodeoxyglukóza (FDG) je derivát cukru. Při fluorodeoxyglukózové pozitronové emisní tomografii (FDG-PET) je injekčně aplikována pacientovi tam, kde má tendenci hromadit se kolem oblastí mozkové kůry, které jsou nebo byly v poslední době aktivní.
Neurobehaviorní a kognitivní poruchy
Navzdory tomu, co je někdy uváděno, většina behaviorálních nebo patologických fenotypů není způsobena jedinou genovou mutací, ale spíše složitým genetickým základem. Existují však určité výjimky z tohoto pravidla, jako je Huntingtonova choroba, která je způsobena jedinou specifickou genetickou poruchou. Výskyt neurobehaviorálních poruch je ovlivněn řadou faktorů, genetických i negenetických.
Downův syndrom je genetický syndrom, který se vyznačuje mentální retardací a výraznými kranio-faciálními rysy a vyskytuje se přibližně u 1 z 800 živě narozených dětí. Odborníci se domnívají, že genetickou příčinou syndromu je nedostatek genů v 21. chromozomu. Gen nebo geny zodpovědné za kognitivní fenotyp však dosud nebyly objeveny.
Syndrom Fragile-X je způsoben mutací genu FRAXA, který se nachází v chromozomu X. Syndrom se vyznačuje mentální retardací (středně závažná u mužů, mírná u žen), jazykovým deficitem a některými projevy autistického spektra.
Alzheimerova choroba je neurodegenerativní porucha, která způsobuje věkem korelovaný progresivní kognitivní pokles. zvířecí model na myších zkoumal patofyziologii a navrhl možnou léčbu, jako je imunizace amyloidem beta a periferní podání protilátek proti amyloidu beta. Studie spojují Alzheimerovu chorobu s genovými změnami způsobujícími abnormality proteinu SAMP8.
Autismus je všudypřítomná vývojová porucha charakterizovaná abnormálním sociálním vývojem, neschopností vcítit se a efektivně komunikovat a omezenými vzorci zájmu. Možnou neuroanatomickou příčinou je přítomnost hlíz ve spánkovém laloku. Jak již bylo zmíněno, negenetické faktory představují 62% rizika rozvoje autismu. Autismus je porucha specifická pro člověka. Jako taková byla genetická příčina spojena s vysoce uspořádanou lateralizací mozku, která se projevuje u lidí. S autismem a poruchami autistického spektra (ASD) byly spojeny dva geny: c3orf58 (také znám jako Deleted In Autism-1 or DIA1) a cXorf36 (také znám jako Deleted in Autism-1 Related or DIA1R).
Velká depresivní porucha je běžná porucha nálady, která je pravděpodobně způsobena nepravidelným nervovým vychytáváním serotoninu. Zatímco genetická příčina není známa, genomické studie posmrtných mozků MDD objevily abnormality v systému fibroblastového růstového faktoru, což podporuje teorii růstových faktorů, které hrají důležitou roli při poruchách nálady.
Mezi další neurodegenerativní poruchy patří Rettův syndrom, Praderův-Williho syndrom, Angelmanův syndrom a Williamsův-Beurenův syndrom.