I ricercatori hanno creato una mappa cellulare innovativa del cervello di un mammifero, descrivendo in dettaglio oltre 5.300 tipi di cellule nel cervello di un topo adulto. Questo atlante, derivato da ricerche approfondite, rappresenta un passo significativo nella comprensione della funzione e dell’evoluzione del cervello e promette trattamenti di precisione dei disturbi cerebrali. Credito: SciTechDaily.com
L’atlante ad alta risoluzione traccia i quartieri neurali per oltre 5.300 tipi di cellule.
Sei anni e 32 milioni di cellule dopo, gli scienziati hanno creato la prima mappa cellulare completa del cervello di un mammifero. In una serie di 10 articoli pubblicati oggi su Nature, una rete di ricercatori ha presentato un atlante che cataloga la posizione e il tipo di ogni cellula nel cervello del topo adulto. Utilizzando tecnologie avanzate che profilano le singole cellule, i team hanno identificato oltre 5.300 tipi di cellule – molto più di quanto conosciuto prima – e hanno individuato le loro posizioni all’interno dell’intricata geografia del cervello.
Svelare la complessa architettura del cervello
“Avere un “elenco delle parti” completo del cervello aiuterà ad accelerare gli sforzi per svelare come funziona“, ha affermato Hongkui Zeng, Ph.D., vicePresidente esecutivo e Direttore dell’Allen Institute for Brain Science.
“Si tratta di un risultato fondamentale che apre davvero le porte alla fase successiva delle indagini sulla funzione, lo sviluppo e l’evoluzione del cervello, simile ai genomi di riferimento per lo studio della funzione genetica e dell’evoluzione genomica”, ha affermato Zeng, che ha condotto uno degli studi. “I miei colleghi hanno affermato che i 5.000 tipi di cellule che abbiamo identificato terranno impegnati i neuroscienziati per i prossimi 20 anni cercando di capire cosa fanno questi tipi di cellule e come cambiano durante la malattia”.
Classificazione e distribuzione dettagliate dei tipi di cellule nell’intero cervello del topo in base all’espressione dei loro geni. Sono stati identificati più di 5000 tipi di cellule che possono essere raggruppati in base alla somiglianza tra loro. Ciascuno dei gruppi è stato tracciato come UMAP per evidenziare le relazioni tra i tipi di cellule in gruppi specifici e ciascun gruppo può essere assegnato a una posizione anatomica specifica. Credito: Allen Institute-
Il lavoro collettivo è una pietra miliare per il BRAIN Initiative Cell Census Network del National Institutes of Health o BICCN. Centinaia di ricercatori hanno contribuito al progetto, che è stato finanziato dall’iniziativa Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies® (BRAIN) del NIH o The BRAIN Initiative®.
Combinando il sequenziamento dell’RNA di singole cellule con la trascrittomica spaziale – metodi per determinare quali geni sono espressi nelle singole cellule e dove si trovano tali cellule – Zeng e i suoi collaboratori hanno rivelato la sorprendente complessità e diversità del cervello.
“Una delle principali rivelazioni dell’Atlante è la profonda connessione tra l’identità genetica di una cellula e la sua posizione spaziale“, ha detto Zeng. “Questa relazione sottolinea il modo in cui funzionano le forme della posizione, offrendo indizi sulla storia evolutiva e sulle complesse interazioni delle diverse regioni del cervello”.
“Stiamo vedendo gli elementi costitutivi dei circuiti del cervello“, ha aggiunto. “L’organizzazione del cervello probabilmente riflette la sua storia evolutiva“.
Una scoperta interessante è la distinta organizzazione cellulare tra la parte inferiore (“ventrale”) e quella superiore (“dorsale”) del cervello. Mentre l’antica parte ventrale presenta un mosaico di cellule interconnesse, la parte dorsale più recente contiene meno tipi cellulari ma altamente divergenti. Questa distinzione potrebbe essere una chiave per decifrare il modo in cui le diverse regioni del cervello hanno sviluppato ruoli unici, ad esempio la parte ventrale per la sopravvivenza di base e la parte dorsale per l’adattamento”, ha detto Zeng..
Svelare i segreti della comunicazione cellulare
I ricercatori hanno anche scoperto che i fattori di trascrizione – proteine che regolano l’attività genetica – comprendono un “codice” che specifica l’identità di una cellula.
L’atlante ha anche scoperto come le cellule cerebrali comunicano tra loro attraverso una serie diversificata di molecole di segnalazione, che trasportano messaggi da cellula a cellula. Questa diversità consente interazioni complesse tra diversi tipi di cellule.
“Il forte allineamento tra i set di dati genomici, epigenomici e spaziali raccolti in modo indipendente fornisce un’elevata certezza che questo atlante mappa molto più che semplici identità cellulari: cattura i veri modelli organizzativi alla base dello sviluppo del cervello dei mammiferi”, ha affermato Zeng.
Il percorso da seguire: applicazioni ed estensioni
Guardando al futuro, l’atlante può servire da modello per mappature simili nel cervello di altre specie, in particolare della nostra. Questo lavoro è già in corso.
“Fornisce inoltre una guida per individuare geneticamente specifici tipi di cellule, consentendo strumenti per studiare funzioni e malattie specifiche. Ciò potrebbe aprire la strada a trattamenti di precisione”, ha affermato Zeng. “Con questa mappa in mano, possiamo ottenere una visione più precisa della disfunzione nella malattia e quindi creare strumenti genetici o farmacologici per colpire quei tipi cellulari specifici, per ottenere maggiore efficacia e effetti collaterali minimi”.
Contributi alla ricerca sul midollo spinale
Gli scienziati dell’Allen Institute hanno anche co-condotto uno studio per creare una mappa dettagliata dei neuroni che collegano il cervello al midollo spinale, consentendo il movimento e la modulazione sensoriale. In questo studio, un team guidato da Zhigang He, Ph.D., e Carla Winter, MD, Ph.D., di Harvard, forniscono la caratterizzazione più approfondita di questi neuroni che proiettano la colonna vertebrale (SPN) fino ad oggi.
Integrando le identità molecolari e le posizioni di questi neuroni in un unico atlante, gli scienziati ottengono informazioni su come questa intricata rete controlla la funzione e il movimento. “E avendo una mappa di base di questi tipi di cellule, ora possiamo studiare come le lesioni del midollo spinale o l’ictus li alterano e, auspicabilmente, sviluppare terapie mirate”, ha affermato Winter.
Leggi anche:Il fumo è legato al restringimento del cervello, irreversibile
Gli scienziati dell’Allen Institute hanno contribuito ad altri cinque studi, tra cui:
- Un atlante spaziale dei tipi di cellule nell’intero cervello del topo. In questo studio, condotto da Xiaowei Zhuang, Ph.D., di Harvard, gli scienziati hanno utilizzato il profilo trascrittomico spazialmente risolto di >1.100 geni per rivelare l’organizzazione spaziale di >5.000 cluster trascrizionalmente distinti nell’intero cervello del topo. La registrazione dell’atlante cellulare nell’Allen Common Coordinate Framework consente la quantificazione della composizione e dell’organizzazione del tipo cellulare in ciascuna regione del cervello. La mappa spaziale ad alta risoluzione rivela le interazioni cellula-cellula e le basi molecolari tra centinaia di coppie di tipi cellulari.
- Un confronto tra i programmi di regolazione genetica di diverse specie, compreso l’uomo. In questo studio, i ricercatori hanno analizzato alcune regioni del DNA che agiscono come interruttori, attivando o disattivando i geni e controllando l’identità di una cellula. Il team ha scoperto che i cosiddetti geni saltatori – sequenze di DNA che possono svolazzare lungo il genoma – costituiscono la maggior parte degli “interruttori” specifici dell’uomo nella neocorteccia. “Poiché queste stesse regioni possono essere coinvolte anche nelle malattie neurodegenerative, ulteriori studi potrebbero aprire la strada a nuove terapie“, hanno affermato gli autori. “Questi dati sono una miniera d’oro per i genetisti che ora possono iniziare a scoprire le basi molecolari di tratti complessi come la schizofrenia“, ha affermato Bing Ren, Ph.D., dell’UCSD, che ha co-diretto lo studio con Joseph Ecker del Salk Institute, Dottorato di ricerca.
Immagine Credit Public Domain-
Fonte:Nature
