I ricercatori mappano l’intero cervello del topo, catalogando 5.322 diversi tipi di cellule

I neuroscienziati hanno svelato la loro mappa più completa e dettagliata dei tipi di cellule dell'intero cervello dei topi, fornendo gli ultimi risultati di uno sforzo scientifico durato sei anni in cui l'Allen Institute di Seattle ha svolto un ruolo di primo piano.
Nove studi pubblicati oggi sulla rivista Nature documentano l’identificazione di 5.322 diversi tipi di cellule cerebrali e tracciano le somiglianze e le differenze riscontrate in una varietà di specie di mammiferi, compreso l’uomo.
Il lavoro si espande su studi precedenti del BRAIN Initiative Cell Census Network, comprese indagini precedenti sulle cellule in varie regioni del cervello del topo, nonché confronti tra specie delle funzioni cellulari.
I ricercatori dell’Allen Institute hanno unito le forze con i colleghi del Broad Institute di Harvard, del Salk Institute for Biological Studies, dell’Università della California a San Diego, dell’UC-Berkeley e di altre istituzioni per aggiungere alla loro “lista di parti” del cervello.
"Ora abbiamo l'atlante dei tipi cellulari di tutte le cellule del cervello", ha detto Hongkui Zeng, vicepresidente esecutivo e direttore dell'Allen Institute for Brain Science, in un video esplicativo.
“Questo è davvero un risultato fondamentale.
…Segna il completamento di un tipo di lavoro che tende alla completezza.
Ma segna anche l’inizio della fase successiva del viaggio.
Apre semplicemente la porta alla prossima generazione di indagini”.
Zeng, autore senior di uno degli articoli su Nature e coautore di altri cinque articoli, ha affermato che il prossimo passo sarà quello di capire esattamente cosa fanno tutti questi diversi tipi di cellule, come le loro funzioni sono influenzate dalla malattia e se potrebbero esserci modi ancora da scoprire per ripristinare quelle funzioni corrette.
"Non si tratta solo di un catalogo, un elenco di tipi di cellule e dove si trovano – informazioni di riferimento che di per sé sono già importanti – ma iniziamo a vedere come è organizzato un cervello", ha detto Zeng.
Gli studi si basavano su dati di sequenziamento genetico e mappe spaziali dell’espressione genica, raccolti da milioni di cellule.
I ricercatori hanno scoperto una forte correlazione tra i modelli di espressione genetica caratteristici dei tipi di cellule e la loro posizione nel cervello.
Nelle regioni superiori del cervello, conosciute anche come regioni dorsali, c’era un piccolo numero di tipi cellulari molto diversi.
Al contrario, le regioni inferiori o ventrali del cervello contengono un gran numero di tipi cellulari distinti che sono più strettamente correlati tra loro.
"La nostra ipotesi è una spiegazione basata sull'evoluzione", ha detto Zeng a GeekWire in una e-mail.
“La parte ventrale del cervello, evolutivamente più antica (in particolare l’ipotalamo/mesencefalo/romboencefalo) è coinvolta principalmente nella funzione di sopravvivenza dell’animale (inclusa l’alimentazione, la riproduzione, il metabolismo, ecc.), e quindi è soggetta a cambiamenti più evolutivi.
vincoli, e i suoi tipi di cellule sono più numerosi ma non si sono discostati molto”.
Al contrario, la parte dorsale del cervello – compresa la corteccia, il talamo e il cervelletto – è principalmente coinvolta in funzioni adattive in rapido cambiamento, come la specializzazione sensomotoria e la cognizione.
“Così si è espanso e diversificato più velocemente, anche con meno milioni di anni di evoluzione”, ha detto Zeng.
Un altro studio ha confrontato la regolazione genetica nella corteccia motoria primaria di esseri umani, macachi, scimmie e topi.
I ricercatori hanno scoperto che i modelli di espressione genetica specifici per particolari tipi di cellule sembrano essersi evoluti molto più rapidamente rispetto ai modelli condivisi tra diversi tipi di cellule.
Hanno affermato che quasi l’80% degli elementi regolatori che sono unici per gli esseri umani sono elementi trasponibili, cioè piccole sezioni di DNA che possono facilmente cambiare posizione all’interno del genoma.
L’analisi ha anche evidenziato caratteristiche altamente conservate tra le specie nelle varianti genetiche che sono state collegate alla sclerosi multipla, all’anoressia nervosa e alla dipendenza dal tabacco.
I ricercatori hanno affermato che i loro risultati dimostrano il valore delle mappe cerebrali per identificare i fattori genetici che svolgono un ruolo nelle condizioni neurologiche.
"Gli esseri umani si sono evoluti nel corso di milioni di anni, e gran parte di quella storia evolutiva è condivisa con altri animali", ha spiegato in un comunicato stampa Joseph Ecker, professore al Salk Institute che ha contribuito a condurre lo studio sulle specie.
“I soli dati provenienti dagli esseri umani non saranno mai sufficienti per dirci tutto ciò che vogliamo sapere su come funziona il cervello.
Colmando queste lacune con altre specie di mammiferi, possiamo continuare a rispondere a queste domande e migliorare i modelli di apprendimento automatico che utilizziamo fornendo loro più dati”.
Ora che i ricercatori hanno compilato l'elenco delle parti del cervello del topo, dedicheranno ancora più attenzione al cervello umano.
L’Allen Institute sta guidando uno sforzo quinquennale per creare un atlante sui tipi di cellule umane con un finanziamento di 173 milioni di dollari dall’iniziativa BRAIN.
Zeng ha affermato che le mappe dei tipi cellulari potrebbero indicare nuove strategie per il trattamento delle malattie.
In questo senso, avere una mappa accurata potrebbe essere il primo passo per riportare un cervello ribelle sulla strada giusta.
"Sappiamo che molte malattie hanno avuto origine in parti specifiche del cervello, e probabilmente in specifici tipi di cellule in quelle parti del cervello", ha detto.
“Con la mappa in mano, ora possiamo scoprire esattamente come sono cambiati i geni in quei tipi di cellule, in quelle parti del cervello.
… Possiamo quindi creare strumenti genetici o altri tipi di strumenti, come strumenti farmacologici, per colpire quei tipi cellulari specifici”.
John Ngai, direttore dell'iniziativa BRAIN, ha suggerito che il meglio deve ancora venire.
"Laddove prima eravamo nell'oscurità, questo traguardo fondamentale brilla di una luce brillante, offrendo ai ricercatori l'accesso alla posizione, alla funzione e ai percorsi tra i tipi di cellule e i gruppi di cellule in un modo che non potevamo immaginare in precedenza", ha detto Ngai.
“Questo prodotto testimonia la potenza di questa collaborazione trasversale e senza precedenti e apre la strada a trattamenti cerebrali più precisi”.
Una sezione speciale sul sito web di Nature mette in evidenza la ricerca della BRAIN Initiative Cell Census Network relativa all'atlante delle cellule cerebrali del topo, inclusi i nove articoli pubblicati oggi e un articolo pubblicato a settembre.