Creato schema elettrico del sistema nervoso di un animale

I ricercatori del College of Medicine Albert Einstein descrivono il primo schema elettrico completo del sistema nervoso di un animale, il verme Caenorhabditis elegans, usato dagli scienziati di tutto il mondo come un organismo modello. Lo studio comprende adulti di entrambi i sessi e rivela differenze sostanziali tra loro.

I risultati segnano un'importante pietra miliare nel campo della Connectomics, (1) lo sforzo di mappare le innumerevoli connessioni neurali in un cervello, nella regione dell'encefalo o nel sistema nervoso per trovare le specifiche connessioni nervose responsabili di determinati comportamenti.

Il dottor Scott W. Emmons, Ph.D., (2) leader dello studio, professore di genetica presso il Dominick P. Purpura Department of Neuroscience e la Siegfried Ullmann Chair in Molecular Genetics at Einstein, spiega: “la struttura è sempre centrale in biologia. La configurazione del DNA ha rivelato come funzionano i geni mentre la struttura delle proteine ha rivelato come funzionano gli enzimi. Ora, la struttura del sistema nervoso sta rivelando: come si comportano gli animali; come le connessioni neurali, quando sono alterate, possono causare una malattia.”

I ricercatori hanno ipotizzato che alcuni disturbi neurologici e psichiatrici, come la schizofrenia e l'autismo, siano connectopatie, cioè problemi causati da “cavi difettosi”. Il professor Il dottor Scott W. Emmons puntualizza: “questa ipotesi è rafforzata dalla constatazione che diversi disturbi mentali sono associati a mutazioni nei geni che si pensa determinino la connettività.”

Un organismo modello

Il verme Caenorhabditis elegans è molto piccolo: gli adulti sono lunghi solo un millimetro e hanno solo circa 1.000 cellule; il suo sistema nervoso semplice è composto da poche centinaia di neuroni (302 nel sesso ermafrodita / femminile, 385 nel maschio). Con queste caratteristiche questo piccolo verme rappresenta per la scienza uno dei migliori modelli animali per capire il cervello umano miliardi di miliardi di volte più complesso. È stato anche il primo organismo multi-cellulare il cui genoma è stato interamente sequenziato.

Lo studio del dottor Scott W. Emmons si basa sul lavoro pionieristico del defunto biologo britannico Sydney Brenner, (3) che nel 2002 ha condiviso il premio Nobel per la fisiologia e la medicina per la sua ricerca sul C. elegans.

In seguito a una ricerca nel laboratorio del dottor John White, il laboratorio del dottor Sydney Brenner pubblicò la prima mappa del sistema nervoso del C. elegans nel 1986, dopo aver accuratamente analizzato le strutture neurali visibili su migliaia di micrografie a elettroni seriali del nematode. Ogni immagine consisteva in un segmento di sezione trasversale mille volte più sottile di un capello umano. Egli, in concerto con i suoi colleghi, collegarono manualmente i punti tra ogni segmento creando una interazione delle strutture da un'immagine all'altra con l'intento di generare rappresentazioni dettagliate dei nervi e delle circa 5.000 connessioni (sinapsi).

I due ricercatori Sydney Brenner e John White lavorarono sul progetto per ben 20 anni. Essi hanno lanciato il campo della connettività stabilendo il nematode come modello animale essenziale per lo studio della biologia e delle malattie umane. Ma la loro mappa, chiamata informalmente La mente di un verme, tralasciava grandi parti del corpo del verme stesso e includeva solo uno dei sessi - l'ermafrodita, o la femmina - non il maschio.

Prendendo il testimone

Per il nuovo studio, il team del dottor Scott W. Emmons, ha analizzato le nuove micrografie elettroniche di topo e quelle del dottor Sydney Brenner e le ha messe insieme usando un software appositamente sviluppato per creare schemi elettrici completi di interi animali adulti di entrambi i sessi di C. elegans. I diagrammi includono: tutte le connessioni tra i singoli neuroni; le connessioni dai neuroni ai muscoli e altri tessuti, come l'intestino, la pelle e le sinapsi tra le cellule muscolari, con stime della forza di tali sinapsi.

Il dottor Scott W. Emmons, spiega: “anche se i percorsi sinaptici nei due sessi sono sostanzialmente simili, un certo numero di sinapsi differiscono in forza, fornendo una base per capire i comportamenti specifici del sesso. Le differenze sessuali primarie riguardano le funzioni riproduttive: nei muscoli vaginali e uterini e nei motoneuroni che li controllano nell'ermafrodito; nel gran numero di neuroni aggiuntivi, muscoli sessuali e connessioni nella coda che generano i circuiti per la copulazione nel maschio. Ma al di là di questi, anche un sorprendente numero di sinapsi tra i neuroni nei percorsi centrali condivisi da entrambi i sessi sembra differire notevolmente. Queste reti connesse servono come punti di partenza per decifrare il controllo neurale del comportamento del C. elegans. Dato che il sistema nervoso del verme contiene molte delle molecole del sistema nervoso umano, ciò che apprendiamo può aiutarci a capire quest'ultimo.”

Il Dr. Emmons sta attualmente studiando come il roundworm connectome sia codificato dal suo genoma.

Lo studio è intitolato "Connessioni di interi animali di entrambi i sessi di C. elegans". Altri autori di Einstein sono: Steven J. Cook, Ph.D., Travis A. Jarrell, Ph.D., Christopher Brittin, Ph.D., Yi Wang, Ph.D., Maksim A. Yakovlev, Ken C. Q. Nguyen, Leo T.-H. Tang, Ph.D., Hannes E. Bülow, Ph.D., and David H. Hall, Ph.D. Gli altri collaboratori includono: Adam E. Bloniarz, Ph.D., at Google, Emily A. Bayer, Ph.D., at Columbia University, Janet S. Duerr, Ph.D., at Ohio University, and Oliver Hobert, Ph.D., at Hughes Medical Institute, Columbia University.

Questo lavoro è stato supportato da sovvenzioni dal National Institutes of Health (F31NS096863, R01NS096672, R37NS039996, P30HD071593, R01MH112689, T32GM007491, R01GM066897 e OD 010943), e dalla Fondazione di beneficenza Y. Mathers di G. Harold e Leila.

Riferimenti:

(1) Connectomics

(2) Scott W. Emmons

(3) Sydney Brenner

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: First Complete Wiring Diagram of an Animal's Nervous System / Foto: WEB