Una mappa cellulare rivoluzionaria del cervello di un mammifero
Dopo sei anni di ricerca e l’analisi di 32 milioni di cellule, gli scienziati hanno creato la prima mappa cellulare completa del cervello di un mammifero. Questo atlante, che dettaglia oltre 5.300 tipi di cellule nel cervello di un topo adulto, rappresenta un passo significativo nella comprensione della funzione e dell’evoluzione del cervello e promette trattamenti di precisione per i disturbi cerebrali.
La complessa architettura del cervello
Avere una lista completa delle “parti” 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. “Questo è un traguardo fondamentale che apre davvero la porta alla prossima fase di indagini sulla funzione, lo sviluppo e l’evoluzione del cervello, simile ai genomi di riferimento per lo studio della funzione genica e dell’evoluzione genomica”, ha detto Zeng, che ha guidato uno degli studi. “I miei colleghi hanno detto che i 5.000 tipi di cellule che abbiamo identificato terranno impegnati i neuroscienziati per i prossimi 20 anni nel cercare di capire cosa fanno questi tipi di cellule e come cambiano nella malattia.”
Classificazione dettagliata e distribuzione dei tipi di cellule
Il lavoro collettivo è un punto di riferimento per la BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) dei National Institutes of Health. Centinaia di ricercatori hanno contribuito al progetto, finanziato dall’iniziativa BRAIN (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies).
Collegare la genetica alla geografia del cervello
Combinando la sequenziazione dell’RNA a cellula singola con la trascrittomica spaziale, Zeng e i suoi collaboratori hanno rivelato la straordinaria 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. Questa relazione sottolinea come la posizione modelli la funzione, offrendo indizi sulla storia evolutiva e le interazioni complesse di diverse regioni cerebrali.
Scoprire i segreti della comunicazione cellulare
I ricercatori hanno anche scoperto che i fattori di trascrizione, proteine che regolano l’attività genica, costituiscono un “codice” che specifica l’identità di una cellula. L’atlante ha anche svelato come le cellule cerebrali comunicano tra loro attraverso una variegata gamma di molecole segnale, che trasportano messaggi da cellula a cellula. Questa diversità consente interazioni complesse tra diversi tipi di cellule.
Il cammino futuro: applicazioni ed estensioni
Guardando avanti, l’atlante può servire da modello per mappature simili nei cervelli di altre specie, in particolare la nostra. Questo lavoro è già in corso. Fornisce inoltre una guida per indirizzare geneticamente tipi specifici di cellule, consentendo strumenti per studiare funzioni specifiche e malattie. Ciò potrebbe aprire la strada a trattamenti di precisione, ha detto Zeng.
Contributi alla ricerca sul midollo spinale
Gli scienziati dell’Allen Institute hanno anche co-diretto 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, M.D., Ph.D., di Harvard fornisce la caratterizzazione più approfondita di questi neuroni proiettanti al midollo spinale (SPN) fino ad oggi. Integrando le identità molecolari e le posizioni di questi neuroni in un unico atlante, gli scienziati ottengono una visione di come questa intricata rete controlli la funzione e il movimento. “E avendo una mappa di base di questi tipi di cellule, possiamo ora studiare come lesioni al midollo spinale o ictus li alterino e speriamo di sviluppare terapie mirate”, ha detto Winter.
Gli scienziati dell’Allen Institute hanno contribuito ad altri cinque studi, tra cui:
Un atlante spaziale dei tipi di cellule in tutto il cervello del topo. In questo studio, guidato da Xiaowei Zhuang, Ph.D., di Harvard, gli scienziati hanno utilizzato il profilamento trascrittomica spazialmente risolto di oltre 1.100 geni per rivelare l’organizzazione spaziale di oltre 5.000 cluster trascrizionalmente distinti in tutto il cervello del topo. La registrazione dell’atlante delle cellule al Allen Common Coordinate Framework consente la quantificazione della composizione e dell’organizzazione dei tipi di cellule in ogni regione cerebrale. La mappa spaziale ad alta risoluzione rivela interazioni cellula-cellula e basi molecolari tra centinaia di coppie di tipi di cellule.
Un confronto dei programmi di regolazione genica tra diverse specie, inclusi gli umani. In questo studio, i ricercatori hanno analizzato alcune regioni del DNA che agiscono come interruttori, accendendo o spegnendo i geni e controllando l’identità di una cellula. Il team ha scoperto che i cosiddetti geni saltatori, sequenze di DNA che possono spostarsi nel genoma, costituiscono la maggior parte degli “interruttori” specifici dell’uomo nella neocorteccia. Poiché queste stesse regioni possono anche essere coinvolte in malattie neurodegenerative, ulteriori studi potrebbero indicare la strada verso nuove terapie, hanno detto gli autori. “Questi dati sono una miniera d’oro per i genetisti che possono ora iniziare a scoprire le basi molecolari di tratti complessi come la schizofrenia”, ha detto Bing Ren, Ph.D., dell’UCSD, che ha co-diretto lo studio con Joseph Ecker, Ph.D., del Salk Institute.
