Cervello-Immagine Credito: Science Pictures Ltd/SPL.
Comprendere il modo in cui i neuroni umani affrontano le richieste energetiche di un cervello grande e attivo potrebbe aprire nuove strade al trattamento dei disturbi neurologici.
Gli esseri umani hanno sviluppato cervelli sproporzionatamente grandi rispetto ai nostri parenti primati, ma questo aggiornamento neurologico ha avuto un costo. Gli scienziati che esplorano il compromesso hanno scoperto caratteristiche genetiche uniche che mostrano come le cellule cerebrali umane gestiscono lo stress di mantenere in funzione un cervello grande. Il lavoro potrebbe ispirare nuove linee di ricerca per comprendere condizioni come il morbo di Parkinson e la schizofrenia.
Lo studio, pubblicato sul server di preprint bioRxiv il 15 novembre, si concentra sui neuroni che producono il neurotrasmettitore dopamina, fondamentale per il movimento, l’apprendimento e l’elaborazione delle emozioni.
Confrontando migliaia di neuroni dopaminergici coltivati in laboratorio provenienti da esseri umani, scimpanzé, macachi e oranghi, i ricercatori hanno scoperto che i neuroni dopaminergici umani esprimono più geni che potenziano l’attività degli antiossidanti che riducono i danni rispetto a quelli degli altri primati.
“I risultati, che devono ancora essere sottoposti a revisione paritaria, rappresentano un passo avanti verso “la comprensione dell’evoluzione del cervello umano” e di tutti gli aspetti potenzialmente negativi e positivi che ne conseguono“, afferma Andre Sousa, neuroscienziato presso l’Università del Wisconsin-Madison. “È interessante e importante cercare davvero di capire cosa c’è di specifico nel cervello umano, con il potenziale di sviluppare nuove terapie o addirittura di evitare del tutto le malattie in futuro“.
Neuroni stressati
“Proprio come camminare in posizione eretta ha portato a problemi alle ginocchia e alla schiena e i cambiamenti nella struttura della mascella e nella dieta hanno portato a problemi dentali, la rapida espansione del cervello umano nel corso dell’evoluzione ha creato sfide per le sue cellule“, afferma il coautore dello studio Alex Pollen, neuroscienziato presso l’Università della California, San Francisco. “Abbiamo ipotizzato che potrebbe verificarsi lo stesso processo e che questi neuroni dopaminergici potrebbero rappresentare articolazioni vulnerabili”.
Utilizzando uno strumento di imaging, Pollen e i suoi colleghi hanno dimostrato che due regioni del cervello che richiedono dopamina sono considerevolmente più grandi negli esseri umani che nei macachi. La corteccia prefrontale è 18 volte più grande e lo striato quasi sette volte più grande.
“Eppure gli esseri umani hanno solo circa il doppio dei neuroni dopaminergici dei loro parenti primati“, afferma Pollen. “Questi neuroni devono quindi allungarsi di più e lavorare di più, formando ciascuno più di due milioni di sinapsi, nel cervello umano più grande e complesso”.
“I neuroni dopaminergici sono dei veri atleti“, afferma Nenad Sestan, neuroscienziato dello sviluppo presso la Yale University di New Haven, Connecticut. “Sono costantemente attivati“.
Per comprendere come i neuroni dopaminergici umani potrebbero essersi adattati per far fronte alle esigenze di un cervello di grandi dimensioni, Pollen e i suoi colleghi hanno coltivato in laboratorio alcune versioni di queste cellule.
Hanno combinato cellule staminali, che possono svilupparsi in molti tipi di cellule, da otto umani, sette scimpanzé, tre macachi e un orango e le hanno fatte crescere in strutture in miniatura simili a cervelli chiamate organoidi. Dopo 30 giorni, queste strutture hanno iniziato a produrre dopamina, imitando un cervello in via di sviluppo.
Il team ha poi sequenziato geneticamente i neuroni dopaminergici per misurare quali geni venivano attivati e come venivano controllati.
In un’analisi dei neuroni umani e di scimpanzé, i ricercatori hanno scoperto che i neuroni umani esprimevano livelli più elevati di geni che gestiscono lo stress ossidativo, un tipo di danno cellulare che può essere causato dal processo ad alta intensità energetica di produzione di dopamina. Questi geni codificano enzimi che scompongono e neutralizzano le molecole tossiche, chiamate specie reattive dell’ossigeno, che possono danneggiare le cellule.
Per indagare se i neuroni dopaminergici umani potessero aver sviluppato risposte uniche allo stress, gli autori hanno applicato un pesticida che causa stress ossidativo agli organoidi. Hanno scoperto che i neuroni che si erano sviluppati da cellule umane aumentavano la loro produzione di una molecola nota come BDNF, che è ridotta nelle persone con disturbi neurodegenerativi come il morbo di Parkinson. Non hanno visto la stessa risposta nei neuroni degli scimpanzé.
Rafforzare la resilienza
La comprensione di questi meccanismi protettivi potrebbe aiutare lo sviluppo di terapie che potenziano le difese cellulari nelle persone a rischio di Parkinson. “Alcune di queste protezioni potrebbero non essere presenti in tutti a causa di mutazioni“, afferma Sousa. “Ciò crea una vulnerabilità extra in quegli individui”.
“Ci sono alcuni obiettivi candidati che potrebbero essere molto interessanti da perturbare e poi trapiantare nei modelli [animali] del morbo di Parkinson per vedere se questi conferiscono ai neuroni maggiore resilienza“, afferma Pollen.
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“Gli organoidi nello studio rappresentano neuroni in via di sviluppo, equivalenti a quelli presenti in un embrione e non catturano completamente la complessità dei neuroni adulti. La ricerca futura dovrà esplorare come tali meccanismi protettivi si mantengono nei neuroni maturi e invecchiati”, afferma Sousa, “perché “le malattie degenerative che colpiscono queste cellule si verificano solitamente in età avanzata”.
Fonte:Nature
