Demistificare il cervello di un mammifero, cellula per cellula

Un gruppo di scienziati, tra cui alcuni di Harvard, ha approfondito come mai prima d'ora il cervello dei mammiferi classificando e mappando a livello molecolare tutte le sue migliaia di diversi tipi di cellule

I ricercatori hanno riportato il loro lavoro su Nature (1), attraverso una serie di 10 articoli, sei dei quali con affiliazioni ad Harvard. Fa parte dell'iniziativa Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies del National Institutes of Health (2), che finora si è concentrata sui topi; le fasi future si sposteranno sugli esseri umani e su altri primati.

Il cervello dei mammiferi ospita miliardi di cellule, ciascuna definita dai geni che esprime. Questa complessità è il motivo per cui la vera comprensione di molte funzioni cerebrali, compresi i meccanismi molecolari che sono alla base delle malattie neurologiche, rimane così sfuggente.

Per creare il primo atlante cellulare (3) definito a livello molecolare dell’intero cervello del topo, un team guidato la dottoressa Xiaowei Zhuang (4) di Harvard ha identificato e mappato spazialmente migliaia di tipi cellulari unici, la maggior parte dei quali non erano mai stati caratterizzati in precedenza.

«Abbiamo identificato 5.000 popolazioni cellulari trascrizionalmente distinte», ha affermato Zhuang, professoressa di scienze David B. Arnold e ricercatrice medico di Howard Hughes. «Basti dire che il livello di diversità che abbiamo individuato è davvero straordinario».

L’atlante cerebrale dei tipi cellulari che cataloga le cellule, la loro distribuzione e le interazioni potrebbe servire come punto di partenza per gli scienziati che studiano determinate funzioni o malattie cerebrali. Un giorno gli schemi di base dell’atlante potrebbero essere applicati al cervello umano, 1.000 volte più grande del cervello del topo.

«Mi dà una vera emozione vedere cose che prima non erano visibili. Sono anche entusiasta quando la nostra tecnologia viene utilizzata da così tanti laboratori», ha affermato Zhuang, riferendosi all’ibridazione in situ Multiplexed Error-Robust Fluorescent (MERFISH), una tecnologia di imaging su scala genomica sviluppata nel suo laboratorio.

In collaborazione con gli scienziati dell’Allen Institute for Brain Science (5), Zhuang e il suo team hanno utilizzato MERFISH insieme ai dati di sequenziamento dell’RNA di singole cellule non solo per identificare ciascun tipo di cellula, ma per visualizzarne l’immagine in situ. Il loro lavoro fornisce nuove informazioni sulle firme molecolari di questi tipi di cellule, nonché su dove si trovano nel cervello. Il risultato è un quadro sorprendentemente dettagliato dell’intera gamma di cellule del cervello del topo, della loro attività di espressione genetica e delle loro relazioni spaziali.

Nel loro articolo su Nature, i ricercatori hanno utilizzato MERFISH per determinare i profili di espressione genetica di circa 10 milioni di cellule mediante l’imaging di un pannello di 1.100 geni, selezionati utilizzando i dati di sequenziamento dell’RNA di singole cellule forniti dai collaboratori dell’Allen Institute.

I risultati sulla retina potrebbero dare impulso alla ricerca sul glaucoma

In un articolo separato della serie Nature (6), Joshua Sanes (7), professore di biologia molecolare e cellulare di Jeff C. Tarr, ha co-guidato un team che ha catturato nuove intuizioni sulla storia evolutiva della retina dei vertebrati.

Parte del cervello racchiusa nell'occhio, la retina vanta complessi circuiti neurali che ricevono informazioni visive, che poi trasmettono al resto del cervello per ulteriori elaborazioni. La retina è funzionalmente molto diversa da specie a specie: ad esempio, i cacciatori-raccoglitori umani hanno sviluppato una visione diurna acuta, mentre i topi possiedono una visione notturna migliore rispetto agli umani; alcuni animali vedono a colori, mentre altri vedono prevalentemente in bianco e nero.

A livello molecolare quanto sono davvero diverse le retine. Il dottor Sanes, in collaborazione con ricercatori dell’University of California, Berkeley e del Broad Institute (8), ha eseguito una nuova analisi comparativa dei tipi di cellule della retina in 17 specie, tra cui esseri umani, pesci, topi e opossum. Utilizzando il sequenziamento dell'RNA di singole cellule, che ha permesso loro di differenziare i tipi di cellule della retina in base ai loro profili di espressione genetica, i risultati dei ricercatori hanno ribaltato alcune opinioni di lunga data su come si sono evoluti i sistemi visivi di alcune specie.

Una scoperta sorprendente ha coinvolto le cosiddette “cellule gangliari retiniche nane”, che, negli esseri umani, trasportano il 90% delle informazioni dall’occhio al cervello. Queste cellule danno agli esseri umani la loro visione dei dettagli più fini e le loro modifiche sono associate a malattie degli occhi come il glaucoma. Nessuna cellula correlata era mai stata trovata nei topi, quindi si presumeva che fossero esclusive dei primati.

Nella loro analisi, Il dottor Sanes e il suo team hanno identificato per la prima volta chiari parenti delle cellule gangliari retiniche nane in molte altre specie, compresi i topi, anche se in proporzioni molto più piccole. Poiché i topi sono un animale modello comune per studiare il glaucoma, essere in grado di individuare queste cellule è una visione potenzialmente cruciale.

«Penso che possiamo sostenere in modo molto convincente che se vuoi studiare queste importanti cellule gangliari della retina umana in un topo, queste sono le cellule che vuoi studiare», conclude Joshua Sanes.

Anche altri ricercatori affiliati ad Harvard, presso la Harvard Medical School, il Boston Children's Hospital e il Broad Institute, hanno contribuito con scoperte alla rete di censimento cellulare del NIH.

Riferimenti:

(1) BICCN: The first complete cell census and atlas of a mammalian brain

(2) BRAIN Initiative

(3) Molecularly defined and spatially resolved cell atlas of the whole mouse brain

(4) Xiaowei Zhuang

(5) Allen Institute for Brain Science

(6) Evolution of neuronal cell classes and types in the vertebrate retina

(7) Joshua Sanes

(8) Broad Institute

Descrizione foto: Atlante cellulare del cervello di topo determinato mediante una tecnologia di imaging su scala genomica chiamata MERFISH. Viene mostrata una sezione sagittale con celle colorate per categoria. - Credit: Xiaowei Zhuang.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Harvard-led team helps create first molecular map for national neuroscience study