La divisione cellulare consente la creazione di reti
I ricercatori dell'ETH hanno sviluppato un modello di rete delle cellule nervose del cervello durante lo sviluppo. Secondo questo modello, il fattore decisivo è la divisione cellulare. Essa porta alla creazione di un indirizzario molecolare che fornisce un orientamento ai neuroni.
Il cervello umano è di gran lunga l'organo più complesso che la natura abbia mai prodotto: 100 miliardi di cellule nervose, ognuna collegata ad altre cellule attraverso diversi punti di contatto, ci garantiscono, tra le altre cose, notevoli capacità di pensiero. Tuttavia, non è ancora chiaro come questo straordinario organo si sviluppi da un insieme inizialmente non strutturato di cellule embrionali.
Non c'è un progetto fisso
Negli ultimi anni sono state spese ingenti somme di denaro per la ricerca per misurare la struttura dei cervelli maturi. Gli scienziati sperano che la mappatura precisa dei neuroni e delle loro interconnessioni - il cosiddetto connettoma - porti a una migliore comprensione del funzionamento del cervello.
Tuttavia, la domanda fondamentale su come si sviluppa il cervello a partire dalle limitate informazioni genetiche delle cellule originarie rimane ancora senza risposta. Per descrivere il connettoma, bisognerebbe immagazzinare nei geni una quantità di informazioni miliardi di volte superiore a quella reale. Com'è possibile, quindi, che gli animali e gli esseri umani nascano con un organo in gran parte pre-strutturato che consente un rapido progresso nell'apprendimento poco dopo la nascita?
Guida al collegamento in rete
La risposta a questa domanda è straordinariamente semplice, come hanno scoperto Stan Kerstjens, dottorando presso l'Istituto di Neuroinformatica dell'ETH e dell'Università di Zurigo, e i suoi due supervisori Richard Hahnloser, professore di Neuroscienze dei Sistemi, e Rodney Douglas, professore emerito di Neuroinformatica.
"La rete viene creata dagli assoni alla ricerca di cellule geneticamente correlate al proprio neurone".Stan Kerstjens
"? ovvio che le istruzioni per il collegamento in rete devono essere contenute nei geni, altrimenti non si svilupperebbe un cervello strutturato in modo simile in tutte le persone", sottolinea Kerstjens. "Tuttavia, non è il connettoma dettagliato a essere codificato nei geni, ma un metodo di ricerca compatto. Questo viene poi utilizzato dagli assoni, che sono lunghi fili che stabiliscono un contatto con altre cellule. La rete viene creata dagli assoni alla ricerca di cellule geneticamente correlate al proprio neurone".
Struttura spaziale e genetica
I ricercatori hanno descritto questo nuovo meccanismo in uno studio pubblicato sulla rivista PLOS Biologia computazionale articolo pubblicato. Gli scienziati hanno sviluppato un modello con cui possono simulare lo sviluppo del cervello di un topo dallo stadio embrionale a quello maturo di un bambino di sei anni.
"Nel suo nucleo, questo è un modello di crescita per i tessuti", spiega Kerstjens. Partendo da una singola cellula iniziale, nel modello si sviluppano gradualmente nuovi neuroni, con ogni divisione cellulare che porta a determinati cambiamenti nell'attività dei geni. Questo meccanismo fa sì che le cellule figlie abbiano un'espressione genica simile, ma non identica, a quella dei loro precursori e che le cellule con un'espressione genica simile siano spazialmente vicine tra loro. Questa organizzazione dello sviluppo delle cellule si traduce in una marcatura simile a una mappa delle cellule, che la biologia può poi utilizzare per la navigazione degli assoni.
Sequenza sistematica di cellule
Nel corso dello sviluppo embrionale, nelle diverse regioni cerebrali emerge un'organizzazione gerarchica di marcatori genetici, ognuno dei quali è caratterizzato dal modello genetico del suo antenato comune. Se si attraversa questa gerarchia simile a una mappa spaziale, si segue una sequenza sistematica di profili genetici che si sono sviluppati di generazione in generazione di cellule.
I ricercatori hanno analizzato i dati sull'attività genica dei cervelli di topo pubblicati dall'Allen Institute for Brain Science di Seattle. "Abbiamo confrontato i dati di laboratorio con le nostre simulazioni e abbiamo riscontrato un alto grado di accordo. Quindi l'attività dei geni divide effettivamente il cervello in regioni annidate e collegate", spiega Kerstjens.
Alla ricerca di cellule affini
Nel modello, le cellule si collegano poi con altre cellule in una seconda fase. "Diamo loro solo istruzioni approssimative su quali segnali molecolari debbano guidare gli assoni nel loro percorso", spiega il ricercatore. "In sostanza, abbiamo detto a ciascuna di esse di ripercorrere gli schemi genetici che hanno portato al loro sviluppo individuale. Gli assoni hanno poi seguito da soli gli indirizzi molecolari che li hanno condotti ai loro parenti".
I ricercatori sono riusciti a dimostrare che questo meccanismo abbastanza semplice può guidare gli assoni su lunghe distanze verso bersagli specifici, creando un connettoma che assomiglia molto a quello di un vero cervello di topo. "La maggior parte delle cellule si connette nelle immediate vicinanze, mentre poche riescono a raggiungere regioni lontane. Questo crea aree altamente interconnesse al loro interno, che sono poi collegate ad altre aree".
Comprendere il principio
? vero che questo semplice modello non può essere utilizzato per replicare un vero cervello umano. "Ma non era questo l'obiettivo del nostro lavoro", dice Kerstjens. "Vogliamo capire il principio di come si sviluppa un organo capace di apprendere. E questo lavoro ci mostra ora come continuare la nostra ricerca".
Letteratura di riferimento
Kerstjens S et.al. Connettomica costruttiva: come gli assoni neuronali vanno da qui a lì utilizzando mappe di espressione genica derivate dai loro alberi genealogici. PLoS Computational Biology, 25 agosto 2022. DOI: pagina esterna10.1371/journal.pcbi.1010382