Così una specie di salamandre rigenera il proprio cervello

 

Scoprire il meccanismo che consente di ricreare nuove cellule puà aiutare la ricerca di soluzioni per i gravi traumi e lesioni cerebrali paralizzanti e invalidanti negli uomini.

 

Ambystoma mexicanum è una salamandra acquatica rinomata per la sua capacità di rigenerare il midollo spinale, il cuore e gli arti. Questi anfibi creano anche nuovi neuroni per tutta la vita.

Nel 1964, i ricercatori hanno osservato che gli esemplari adulti potevano rigenerare parti del loro cervello, anche se una grande sezione era completamente rimossa. Ma uno studio ha scoperto che la rigenerazione cerebrale ha una capacità limitata di ricostruire la struttura del tessuto originale.

Quindi, quanto perfettamente questi animali possono rigenerare il loro cervello dopo un infortunio?

Al Treutlein Lab dell’ETH di Zurigo e al Tanaka Lab dell’Istituto di Patologia Molecolare di Vienna si chiesti se queste salamandre siano in grado di rigenerare tutti i diversi tipi di cellule nel loro cervello, comprese le connessioni che collegano una regione del cervello a un’altra.

Nello  studio pubblicato di recente, i ricercatori hanno creato un atlante delle cellule che compongono una parte del cervello, facendo luce sia sul modo in cui si rigenera che sull’evoluzione del cervello tra le specie.

Diversi tipi di cellule hanno funzioni diverse. Sono in grado di specializzarsi in determinati ruoli perché ognuno di essi esprime geni diversi.

Capire quali tipi di cellule ci sono nel cervello e cosa fanno aiuta a chiarire il quadro generale di come funziona. Consente inoltre ai ricercatori di fare confronti attraverso l’evoluzione e cercare di trovare tendenze biologiche tra le specie.

Un modo per capire quali cellule stanno esprimendo quali geni è usando una tecnica chiamata sequenziamento dell’RNA a singola cellula (scRNA-seq). Questo strumento consente ai ricercatori di contare il numero di geni attivi all’interno di ciascuna cellula di un particolare campione, fornendo una “istantanea” delle attività che ogni cella stava svolgendo quando è stata raccolta.

Questo strumento è stato determinante nella comprensione dei tipi di cellule che esistono nel cervello degli animali. Gli scienziati hanno usato scRNA-seq in pesci, rettili, topi e persino esseri umani. Ma è mancato un pezzo importante del puzzle dell’evoluzione del cervello: gli anfibi.

Il team ha deciso di concentrarsi sul telencefalo dell’Ambystoma mexicanum. Nell’uomo, il telencefalo è la più grande divisione del cervello e contiene una regione chiamata neocorteccia, che svolge un ruolo chiave nel comportamento e nella cognizione animale.

Nel corso della recente evoluzione, la neocorteccia è cresciuta enormemente di dimensioni rispetto ad altre regioni del cervello. Allo stesso modo, i tipi di cellule che compongono il telencefalo nel complesso si sono altamente diversificati e cresciuti in complessità nel tempo, rendendo questa regione un’area intrigante da studiare.

 

Gli scienziati hanno usato scRNA-seq per identificare i diversi tipi di cellule che compongono il telencefalo, compresi diversi tipi di neuroni e cellule progenitrici, o cellule che possono dividersi in più di se stesse o trasformarsi in altri tipi di cellule.

Hanno identificato quali geni sono attivi quando le cellule progenitrici diventano neuroni e hanno scoperto che molti passano attraverso un tipo di cellula intermedio chiamato neuroblasti – precedentemente sconosciuto in queste salamandre – prima di diventare neuroni maturi.

Hanno quindi messo alla prova la rigenerazione degli anfibi rimuovendo una sezione del loro telencefalo. Utilizzando un metodo specializzato di scRNA-seq, sono stati in grado di catturare e sequenziare tutte le nuove cellule in diversi stadi di rigenerazione, da una a 12 settimane dopo l’infortunio.

Alla fine, hanno scoperto che tutti i tipi di cellule che erano stati rimossi erano stati completamente ripristinati.

Hanno osservato che la rigenerazione del cervello avviene in tre fasi principali. La prima fase inizia con un rapido aumento del numero di cellule progenitrici e una piccola frazione di queste cellule attiva un processo di guarigione delle ferite.

Nella fase due, le cellule progenitrici iniziano a differenziarsi in neuroblasti. Infine, nella fase tre, i neuroblasti si differenziano negli stessi tipi di neuroni che sono stati originariamente persi.

Sorprendentemente, hanno anche osservato che le connessioni neuronali recise tra l’area rimossa e altre aree del cervello erano state ricollegate. Questo ricablaggio indica che anche l’area rigenerata aveva riacquistato la sua funzione originale.

L’aggiunta di anfibi al puzzle evolutivo consente ai ricercatori di dedurre come il cervello e i suoi tipi di cellule siano cambiati nel tempo, così come i meccanismi alla base della rigenerazione.

Confrontando i dati con altre specie, hanno scoperto che le cellule nel loro telencefalo mostrano una forte somiglianza con l’ippocampo dei mammiferi, la regione del cervello coinvolta nella formazione della memoria, e la corteccia olfattiva, la regione del cervello coinvolta nel senso dell’olfatto.

Hanno anche trovato alcune somiglianze in un tipo di cellula con la neocorteccia, l’area del cervello nota per la percezione, il pensiero e il ragionamento spaziale negli esseri umani.

Queste somiglianze indicano che queste aree del cervello possono essere conservate evolutivamente, o rimanere comparabili nel corso dell’evoluzione, e che la neocorteccia dei mammiferi può avere un tipo di cellula antenata nel telencefalo degli anfibi.

Mentre lo studio fa luce sul processo di rigenerazione del cervello, compresi quali geni sono coinvolti e come le cellule alla fine diventano neuroni, non sappiamo ancora quali segnali esterni avviano questo processo.

Inoltre, non sappiamo se i processi identificati siano ancora accessibili agli animali che si sono evoluti più tardi nel tempo, come topi o esseri umani.

Il Tosches Lab della Columbia University ha esplorato la diversità dei tipi di cellule in un’altra specie di salamandra, il valzer Pleurodeles, mentre il laboratorio Fei presso l’Accademia delle scienze mediche del Guangdong in Cina e i collaboratori della società di scienze della vita BGI hanno esplorato come i tipi di cellule sono disposti spazialmente nel proencefalo.

Identificare tutti i tipi di cellule nel cervello axolotl aiuta anche a spianare la strada alla ricerca innovativa nella medicina rigenerativa. Il cervello dei topi e degli esseri umani ha in gran parte perso la capacità di ripararsi o rigenerarsi.

Gli interventi medici per gravi lesioni cerebrali attualmente si concentrano su terapie farmacologiche e con cellule staminali per aumentare o promuovere la riparazione.

Esaminare i geni e i tipi di cellule che consentono di realizzare una rigenerazione quasi perfetta può essere la chiave per migliorare i trattamenti per lesioni gravi e sbloccare il potenziale di rigenerazione negli esseri umani.

 Crediti: Amandasofiarana/Wikimedia Commons, CC