Lesioni del midollo spinale-Immagine: i ricercatori hanno ora mappato tutti i neuroni che si proiettano dal cervello al midollo spinale e li hanno caratterizzati a livello molecolare, aggiungendoli a un “atlante” cellula per cellula più ampio del cervello del topo. Credito: Sebastian Stankiewicz, Ospedale pediatrico di Boston.
Solo una frazione delle persone che subiscono una lesione del midollo spinale riacquistano completamente la propria funzione motoria. Sebbene la riabilitazione possa aiutare, gli scienziati hanno cercato a lungo modi per rigenerare le fibre nervose danneggiate, tra cui gli scienziati presso il Boston Children’s Hospital, Zhigang He, Ph.D., BM.
Nell’ambito di uno sforzo di collaborazione da parte del BRAIN Initiative Cell Census Network, che ha appena pubblicato un “atlante” cellula per cellula del cervello del topo, il laboratorio di He si è assunto l’ambizioso compito di profilare quei neuroni nel cervello che inviano proiezioni al midollo spinale. Questi neuroni, di più tipi, controllano una varietà di funzioni corporee, compreso il movimento.
I risultati dettagliati sono stati pubblicati su Nature.
“Ora possiamo osservare questi neuroni in termini del loro profilo molecolare e ottenere maggiori informazioni su quale strategia utilizzare per promuovere la rigenerazione“, afferma. “Questa è stata una delle principali motivazioni per cui abbiamo fatto questo lavoro“.
Un sistema su tre fronti
I ricercatori, guidati da Carla Winter, MD-Ph.D. candidato nel laboratorio di He, hanno caratterizzato circa 65.000 singoli neuroni che si proiettano verso la colonna vertebrale. Hanno utilizzato strumenti tra cui l’imaging dell’intero cervello, tecniche di etichettatura cellulare e sequenziamento dell’RNA a nucleo singolo per vedere quali geni utilizzano le cellule e quali proteine producono (il trascrittoma). Hanno poi mappato i tipi cellulari identificati su un atlante cerebrale anatomico e trascrittomico creato dall’Allen Institute for Brain Science.
In totale, il team ha identificato 76 tipi di neuroni spinali che si proiettano attraverso il cervello. Le loro funzioni vanno dal controllo del movimento volontario e involontario all’elaborazione degli input sensoriali alla gestione delle funzioni autonome come la pressione sanguigna, la frequenza cardiaca e le risposte alla paura.
“A livello molecolare, stiamo osservando tre divisioni di neuroni che si proiettano verso la colonna vertebrale, tre sistemi per governare diversi tipi di movimenti e funzioni“, afferma Winter.
Questi tre sistemi sono:
- Neuroni della divisione 1, con solo sette tipi di cellule derivanti da tre regioni del cervello (corteccia, nucleo rosso e cervelletto). Sono tutti eccitatori e ciascuno proietta da una precisa posizione del cervello a una specifica posizione nel midollo spinale, conferendo a questi neuroni un’ampia gamma di funzioni. “Anche se i neuroni sembrano simili tra loro a livello molecolare, pensiamo che le loro funzioni differiscano in base al loro cablaggio”, afferma Winter.
- I neuroni della divisione 2, con quasi 50 tipi cellulari distinti, sono un mix di eccitatori e inibitori. Questi neuroni sono sparsi in tutto il cervello, quindi le loro proiezioni non arrivano in fasci o tratti distinti e si proiettano in più posizioni del midollo spinale. I ricercatori pensano che potrebbero essere coinvolti nell’integrazione e nel coordinamento dei movimenti.
- Neuroni della divisione 3, un gruppo poco conosciuto di neuroni con una funzione modulatoria, che amplifica o calma interi circuiti cervello-spinale. I ricercatori hanno documentato 20 diversi tipi di neuroni nell’ipotalamo, nel mesencefalo e nel tronco cerebrale. “Questi sono diversi dai neuroni tipici e agiscono tramite neurotrasmissione lenta o neuropeptidi”, afferma Winter.
Indizi sulla rigenerazione del midollo spinale?
Il team ha dovuto superare una serie di sfide tecniche, tra cui l’isolamento dei neuroni le cui proiezioni, note come assoni, possono essere lunghe diversi metri negli esseri umani. I profili molecolari dettagliati offrono molte opportunità per esplorare nuove possibilità di trattamento per le condizioni neuromotorie, comprese le lesioni del midollo spinale.
“Di solito consideriamo i fattori di crescita per promuovere la rigenerazione degli assoni, ma in passato non sapevamo quali recettori dei fattori di crescita esprimessero specifiche popolazioni di neuroni“, afferma He. “Ora, questo è diventato molto chiaro e può fornire nuovi indizi sulle lesioni del midollo spinale“.
Lo studio aggiunge inoltre preziose informazioni all’Allen Brain Atlas, inserendo alcuni tipi di neuroni non precedentemente riconosciuti e la destinazione dei loro assoni.
Spiegano gli autori:
“Il cervello controlla quasi tutte le funzioni corporee tramite i neuroni spinali (SPN) che trasportano segnali di comando dal cervello al midollo spinale. Tuttavia, manca ancora una caratterizzazione molecolare completa degli SPN a livello cerebrale. Qui abbiamo profilato trascrizionalmente un totale di 65.002 SPN, identificato 76 tipi di SPN specifici per regione e mappato questi tipi in un atlante associato dell’intero cervello del topo. Questa tassonomia rivela un’organizzazione di tre componenti degli SPN: (1) SPN eccitatori molecolarmente omogenei dalla corteccia, dal nucleo rosso e dal cervelletto con terminazioni spinali somatotopiche adatte alla comunicazione punto a punto; (2) popolazioni eterogenee nella formazione reticolare con ampi modelli di terminazione spinale, adatti a trasmettere comandi relativi alle attività dell’intero midollo spinale; e (3) neuroni modulatori che esprimono neurotrasmettitori ad azione lenta e/o neuropeptidi nell’ipotalamo, nel mesencefalo e nella formazione reticolare per la “impostazione del guadagno” dei segnali cervello-spinale. Inoltre, questo atlante ha rivelato un codice del fattore di trascrizione homeobox LIM che parcellizza i neuroni reticolospinali in cinque popolazioni molecolarmente distinte e spazialmente segregate. Insieme, questo studio stabilisce una tassonomia completa degli SPN a livello cerebrale e fornisce informazioni sull’organizzazione funzionale degli SPN nella mediazione del controllo cerebrale delle funzioni corporee“.
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In futuro, i ricercatori sperano di studiare i neuroni spinali nel cervello dei primati non umani e degli esseri umani. Ritengono che questi neuroni abbiano alcune caratteristiche in comune con il cervello del topo, ma anche una maggiore complessità organizzativa.
Fonte:Nature
