Che cosa ci dice uno sguardo a più di 3.000 tipi di cellule nel cervello umano

Un nuovo sguardo al cervello umano sta cominciando a rivelare la vita interiore dei suoi residenti cellulari.

Il cervello umano contiene una vertiginosa collezione di cellule diverse e, a livello cellulare, non esistono due cervelli uguali. Queste sono le conclusioni prevalenti di un assalto di 21 articoli pubblicati online il 12 ottobre su Science, Science Advances e Science Translational Medicine.

I risultati iniziano appena a scalfire la superficie della comprensione dei misteri del cervello. Tuttavia, forniscono lo sguardo più intimo mai visto sulle cellule che costruiscono il cervello e offrono indizi su come il cervello consente pensieri, azioni e ricordi. La raccolta di dati potrebbe anche guidare i ricercatori nella ricerca delle cause di disturbi cerebrali come la schizofrenia, il morbo di Alzheimer e la depressione.

La nuova mappa del cervello è il risultato di uno sforzo di ricerca internazionale coordinato chiamato Brain Initiative Cell Census Network del National Institutes of Health, o BICCN, che si è intensificato nel 2017. Molti degli studi nella raccolta si basano su una potente tecnologia chiamata single- genomica cellulare. Il metodo rivela quali geni sono attivi all’interno di una singola cellula, informazioni che forniscono indizi sull’identità e sul lavoro della cellula.

Nell'ambito del BICCN, i ricercatori hanno esaminato tutti i tipi di cervelli. Un progetto ha dettagliato le cellule in piccoli pezzi di tessuto cerebrale vivo prelevati da 75 persone sottoposte a intervento chirurgico per tumori o epilessia, un approccio che è stato utilizzato in precedenza su scala più piccola (SN: 8/7/19). Un altro ha esaminato campioni prelevati dal cervello di 17 bambini deceduti. Un altro ancora ha esaminato il tessuto cerebrale di sette persone, sette scimpanzé, quattro gorilla, tre macachi rhesus e tre uistitì.

La risoluzione fornita dalla genomica unicellulare ha rivelato dettagli sulle cellule cerebrali umane in un modo che i metodi precedenti non potevano fare. "È straordinario il modo in cui funziona", afferma Ed Lein, neuroscienziato dell'Allen Institute for Brain Science di Seattle e uno dei ricercatori principali del gruppo BICCN. Collettivamente, i nuovi studi descrivono oltre 3.000 tipi di cellule che risiedono nel cervello umano.

La conclusione principale, afferma Lein, è che “il cervello è davvero complesso, dal punto di vista cellulare”.

In mezzo a questa complessità, sono già emerse diverse intuizioni chiave, inclusi suggerimenti su come si sviluppa il cervello umano, come varia tra le persone e come differisce dal cervello dei primati parenti stretti.

Alcuni studi si sono concentrati su cervelli molto giovani. Uno studio sui primi due trimestri di crescita del cervello, ad esempio, ha rivelato dettagli precedentemente sconosciuti sull’identità delle cellule nervose nel talamo, una sorta di stazione di passaggio per le informazioni che arrivano al cervello. Molte di queste cellule, chiamate neuroni GABAergici, nascono in altre parti del cervello in via di sviluppo e migrano nel talamo.

Altri risultati mostrano che i primi anni contano molto. Seth Ament, neuroscienziato della School of Medicine dell'Università del Maryland a Baltimora, e i suoi colleghi hanno esaminato le cellule cerebrali nel cervelletto, una regione del cervello nella parte inferiore del cervello. Nei bambini morti con un’infiammazione al cervello, alcuni tipi di cellule nervose – i neuroni di Purkinje e Golgi – avevano livelli alterati di geni attivi. Lo schema, riscontrato in otto cervelli, suggerisce che l’infiammazione nelle prime fasi della vita potrebbe alterare lo sviluppo delle cellule nervose in determinati punti.

"Sono stupito che abbiamo visto qualcosa di così coerente nei campioni", dice Ament.

Alcuni studi si sono concentrati sulla variabilità tra le regioni del cervello e tra le persone.

Uno studio ha esaminato le cellule di circa 100 punti prelevati da quattro cervelli adulti. I ricercatori hanno scoperto, tra molte altre cose, che le cellule chiamate astrociti usano i loro geni in modo diverso a seconda di dove risiedono. La scoperta suggerisce che queste cellule, note per aiutare le cellule nervose a formare connessioni e a mantenere sano il tessuto cerebrale, potrebbero essere specializzate per la loro regione.

Un altro studio ha esaminato otto regioni della neocorteccia, l’area esterna rugosa responsabile del pensiero sofisticato. Gli scienziati hanno scoperto che le cellule in quelle regioni sono in qualche modo standardizzate e vengono classificate in modo coerente in 24 categorie. Ma le regioni presentano differenze nelle proporzioni delle celle. Nessuno sa cosa ciò significhi per il funzionamento di queste regioni.

Esistono somiglianze anche tra le persone. I ricercatori hanno trovato modelli cellulari altamente coerenti confrontando le cellule cerebrali di 75 persone. Ma c’era anche molto margine di manovra. Le microglia, le cellule immunitarie del cervello che scolpiscono anche le connessioni delle cellule nervose, erano particolarmente uniche nei geni che usano da persona a persona, per esempio.

Alcune ricerche confrontano il cervello umano con i parenti dei primati, tra cui scimpanzé, gorilla, macachi rhesus e uistitì. Osservando le cellule del cervello di altri primati, dice Lein, “possiamo finalmente porci la domanda su cosa rende unici gli esseri umani”.

Nel complesso, le cellule nel giro temporale medio, una parte della corteccia cerebrale, non differivano molto tra i cervelli dei primati. "È davvero straordinario che questa complessa composizione cellulare sia così conservata", afferma Lein. "Ma hai anche questi cambiamenti."

Rispetto ad altri primati, le cellule cerebrali umane utilizzano alcuni geni in modo diverso, in particolare i geni legati al modo in cui le cellule formano connessioni e comunicano, hanno scoperto i ricercatori. L’analisi ha anche scoperto alcune centinaia di geni che sembrano comportarsi in modi specifici per l’uomo nelle cellule cerebrali. I ricercatori non sanno ancora cosa potrebbero fare questi geni.

Il neuroanatomista Matthew Glasser avverte che può essere difficile dire esattamente quali aree cerebrali siano comparabili tra i primati. Tuttavia, i risultati sono “il primo passo verso qualcosa di veramente interessante”, afferma Glasser, della Washington University School of Medicine di St. Louis, che non è stato coinvolto in questi studi.

Nel complesso, il progresso rappresentato da questi e dai risultati correlati “è davvero strabiliante”, afferma il cartografo corticale David Van Essen, che non ha lavorato ai nuovi studi. “La comunità trarrà sicuramente beneficio da ciò che emergerà da questa raccolta di documenti”.

Ma, cosa ancora più importante, è solo un assaggio di ciò che verrà. “A mio avviso non è un punto finale”, afferma Van Essen, anche lui della Washington University. "È più un punto medio."

Ament è d'accordo. “Questi documenti, per quanto importanti penso che siano, non sono la fine”, dice. “È più l’inizio e ora abbiamo molto più lavoro da fare”.

Le nuove mappe cerebrali verranno probabilmente riviste, perfezionate e integrate, afferma Lein. Gli scienziati stanno già lavorando alle prossime iterazioni, che cercano di combinare viste ingrandite delle reti cerebrali e del comportamento cerebrale con i dettagli ultrafini forniti dalla tecnologia a cellula singola.

“Ora che disponiamo di queste tecniche”, afferma Glasser, “stiamo cercando di combinarle con l’imaging cerebrale e la neuroscienza dei sistemi per cercare effettivamente di risolvere il puzzle”.

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