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Il cervello umano è l’organo più complesso che conosciamo: conta circa 86 miliardi di neuroni e circa altrettante cellule che ricoprono un ruolo strutturale note come glia. Ciascuno dei due tipi cellulari ha al suo interno altri sotto-raggruppamenti. Esistono ad esempio neuroni eccitatori e inibitori: i primi favoriscono la creazione di un segnale elettrico che viene trasmesso nei circuiti nervosi attraverso le sinapsi, mentre i secondi inibiscono o fermano quel segnale. Allo stesso modo esistono cellule gliali di diversi tipi e dimensioni, come i macroglia (tra questi gli astrociti) e i microglia.
Non tutte le funzioni di questi tipi di cellule sono note. I glia ad esempio solitamente fungono da impalcatura, servono a portare nutrienti ai neuroni, li isolano, svolgono un ruolo immunitario, ma alcuni di essi sono anche in grado di svolgere una funzione simile alla neurotrasmissione.
Una collaborazione internazionale di centinaia di scienziati ha ora prodotto una mappatura, la più vasta mai prodotta finora, dei diversi tipi di cellule presenti nel cervello umano. Il lavoro è stato svolto da un consorzio di centri di ricerca statunitensi ed europei e ha prodotto una lista di 21 paper pubblicati su tre riviste dello stesso gruppo editoriale: Science, Science Advances e Science Translational Medicine.
Al progetto, iniziato nel 2017 e finanziato dal National Institute of Health statunitense, è stato assegnato l’acronimo BICCN, che sta BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) Initiative – Cell Census Network.
Proprio sfruttando tecnologie innovative che fino ad ora erano state applicate solo a modelli animali sono stati classificati più di 3.000 tipi di cellule, molti dei quali prima sconosciuti. Questo nuovo atlante contribuirà alla comprensione di come funziona il nostro sistema cognitivo, di come insorgono malattie di diverso tipo (come schizofrenia o Alzheimer) e di cosa distingue il cervello umano da quello di altre specie.
Il progetto include infatti una mappatura a livello di singola cellula non solo del cervello della nostra specie, ma anche di quello di nostri cugini evolutivi, nella fattispecie macachi e marmoset. Uno dei filoni di indagine seguiti dal progetto prevedeva proprio un’analisi comparativa della composizione cellulare del cervello umano e di quello di questi primati.
Per classificare i diversi tipi di cellule si è guardato non solo al profilo anatomico, fisiologico e funzionale, per capire come sono fatte e come si comportano, ma si è indagato anche il profilo epigenetico e trascrittomico, per comprendere il loro sviluppo nel tempo e come i geni vengono espressi. Tali analisi, che hanno utilizzato anche confronti con dati di topi, hanno rivelato una varietà di cellule molto più ampia di quanto ci si aspettasse.
Il team guidato da Kimberly Siletti dello University Medical Center di Utrecht in Olanda ad esempio ha sequenziato l’RNA di più di 3 milioni di cellule provenienti da 106 diversi siti cerebrali, utilizzando i tessuti di tre donatori maschi (già deceduti) e una donatrice femmina. Tale analisi trascrittomica ha individuato 461 categorie cellulari e più di 3.000 sotto-categorie, riporta un articolo su Nature.
Alcuni tipi cellulari sono stati associati solo ad alcuni siti specifici. Si è trovato ad esempio che il tronco encefalico, una struttura relativamente poco studiata che connette il sistema nervoso centrale al midollo spinale, ospita un numero particolarmente alto di tipi cellulari.
Altri lavori hanno guardato ai meccanismi epigenetici di espressione e regolazione dei geni contenuti nel DNA delle cellule. Il gruppo guidato da Joseph Ecker del Salk Institute for Biological Studies a La Jolla, in California, partendo dagli stessi tessuti dei tre donatori, ha studiato come i geni si attivano o disattivano in presenza di diverse molecole che funzionano da veri e propri interruttori genetici.
Lavorando con più di 500.000 cellule i ricercatori hanno catalogato circa 200 tipi di cellule, ciascuno dei quali risponde a diverse molecole o marcatori epigenetici. “Persino lo stesso gene nel medesimo tipo di cellula può avere caratteristiche diverse in luoghi diversi del cervello” riporta Nature. “Uno stesso gene veniva attivato con un interruttore in una zona frontale del cervello e con un altro interruttore in una zona posteriore”.
Secondo Ecker comprendere quali interruttori attivano o bloccano l’espressione genica nelle cellule cerebrali può risultare estremamente utile nella diagnosi di malattie neurologiche e psichiatriche, contribuendo a sviluppare trattamenti specifici.
Bing Ren, dell’università della California, a San Diego si è occupato proprio di questo. Con il suo gruppo ha trovato correlazioni tra certi tipi di cellule e disordini neuropsichiatrici come quello bipolare, la depressione e la schizofrenia.
I microglia ad esempio si occupano di smaltire cellule morte o danneggiate. La presenza di alcune molecole che fungono da interruttori genetici suggerirebbe un’alterazione del loro funzionamento e questo è stato associato al rischio di sviluppare la malattia di Alzheimer. Un simile risultato può essere utilizzato per verificare se alcuni geni o alcune molecole in particolare contribuiscono all’insorgere della malattia. “Questo è possibile perché per la prima volta abbiamo delineato gli interruttori genetici di centinaia di diversi tipi di cellule” ha rimarcato Ren.
Il prossimo passo del progetto sarà ampliare il numero di tessuti dei donatori per avere una mappatura più rappresentativa della diversità della popolazione umana. Siamo solo all’inizio.
