Il sistema nervoso umano è come un circuito complesso. Quando i fili si incrociano o i circuiti non funzionano correttamente, possono insorgere condizioni come la schizofrenia o il disturbo bipolare.

Per molto tempo, gli scienziati hanno lavorato per ingrandire e identificare come si formano i circuiti cerebrali in modo che possano imparare a ricablare i neuroni che causano problemi.

Ora, i ricercatori di Stanford guidati dal professore di biologia Liqun Luo e dal professore di bioingegneria e di fisica applicata Stephen Quake hanno compiuto un significativo passo avanti in quella direzione creando un modello genetico dettagliato cellula per cellula dei neuroni olfattivi del moscerino della frutta. Il loro lavoro è stato pubblicato in Cellula .

L'idea alla base della ricerca è quella di comprendere i tipi di cellule neuronali del cervello di mosca relativamente semplice, e identificare le molecole che dirigono il cablaggio preciso di diversi tipi di neuroni nel cervello delle mosche. Col tempo, i ricercatori vogliono utilizzare un approccio simile per studiare la struttura cellulare molto più complessa del cervello umano, e forse un giorno anche riparare i collegamenti errati nei disturbi cerebrali.

Sequenziamento dell'RNA unicellulare

Tornando alla biologia del liceo, ricorda che le cellule hanno DNA e RNA. Il DNA è il codice genetico che rappresenta il progetto di un intero organismo. La mosca della frutta, un organismo modello per l'uomo perché condivide circa il 75 percento dei nostri geni noti per le malattie, ne ha circa 15, 000 geni. Certo, non tutti i geni sono espressi tutto il tempo. Ogni singola cellula esprime uno specifico sottoinsieme di geni, che a loro volta formano un insieme specifico di proteine. Le molecole di RNA messaggero portano i codici genetici per creare, o esprimere, qualunque proteina possa essere richiesta da una cellula specifica in qualsiasi momento.

I ricercatori di Stanford si sono concentrati sulle cellule dell'olfatto, o annusare, e sensori quadranti del cervello mosca. Il moscerino della frutta è uno degli organismi più studiati in biologia. Precedenti ricerche sperimentali hanno dimostrato che il sistema olfattivo della mosca è un circuito pulito e semplice, rendendolo il banco di prova ideale per lo sviluppo di una nuova tecnologia genetica per sondare come sono cablati i circuiti cerebrali. Il centro dell'olfatto del cervello della mosca ha 50 tipi di neuroni di elaborazione centrale che sviluppano filamenti filiformi per connettersi con 50 tipi di neuroni sensoriali. Ogni coppia di neuroni collegati consente al moscerino della frutta di annusare un gruppo di odori, e in combinazione, il moscerino della frutta può rilevare la miriade di odori dei frutti nella tua cucina.

Per vedere l'intero repertorio di geni espressi in queste cellule, il team di Stanford ha utilizzato un metodo introdotto da Quake che consente ai ricercatori di sequenziare tutto l'RNA messaggero in una cellula. Le tecnologie di sequenziamento di singole cellule sviluppate da Quake e dai suoi collaboratori sono diventate ampiamente utilizzate e sono la base degli sforzi internazionali per sviluppare un atlante completo dei tipi di cellule umane e di topo. Ma lo studioso post-dottorato Hongjie Li e lo studente di dottorato Felix Horns hanno ottimizzato il processo per farlo funzionare per il moscerino della frutta, che ha piccole cellule e una quantità molto minore di RNA messaggero per cellula.

Combinando il sequenziamento dell'RNA unicellulare di Quake con la conoscenza dettagliata di Luo del circuito olfattivo del moscerino della frutta, il team è stato in grado di creare il primo progetto che mostra come l'attività specifica di un gene/proteina sia correlata con il cablaggio biologico di almeno un componente del sistema nervoso di un organismo.

Definire un tipo di cellula

In definitiva, i ricercatori vorrebbero creare un progetto per il sistema nervoso umano, ma il loro primo passo deve essere quello di identificare le cellule componenti del cervello umano. Ciò è particolarmente impegnativo perché sebbene le cellule possano essere definite in base alla funzione, fisiologia, anatomia ed espressione genica, i ricercatori hanno avuto difficoltà a unificare queste proprietà. Due cellule possono avere la stessa funzione ma diverse fisiologie. "Le persone speravano che il sequenziamento dell'RNA unicellulare potesse aiutare a risolvere questo problema, ma finora non è stato facile, " disse Luo.

Studiare prima la mosca della frutta ha aiutato perché negli ultimi due decenni, Luo e il suo laboratorio hanno imparato a conoscere la funzione, molto bene la fisiologia e l'anatomia del sistema olfattivo dell'organismo. Sebbene i ricercatori stiano ancora discutendo se ce ne siano 1, 000 o 10, 000 tipi di cellule nel cervello umano, Luo ha detto che conosciamo già il numero di tipi di cellule nel sistema olfattivo del moscerino della frutta. Ciò ha reso questo semplice organismo il banco di prova ideale per collegare l'espressione genica agli altri pezzi del puzzle del tipo di cellula e sviluppare un processo per studiare in definitiva il cervello umano.

Nuovi approfondimenti

Sebbene i ricercatori siano ancora molto lontani da questo obiettivo, la loro scoperta ha già prodotto alcune intuizioni interessanti nelle menti delle mosche. Per esempio, i ricercatori hanno scoperto che durante lo sviluppo, quando i neuroni olfattivi scelgono i partner di connessione, l'espressione genica tra i diversi tipi neuronali è diversa. Ma quando i moscerini della frutta maturano, i modelli di espressione genica di diversi tipi neuronali diventano indistinguibili. "Una volta che il cervello è collegato, la mosca non ha bisogno di esprimere quei geni che la aiutano nella scelta dei partner di connessione, "Ha detto Horns. "Quindi c'è meno diversità di espressione genica nelle mosche adulte".

L'obiettivo finale è sviluppare strumenti nuovi e potenti per comprendere i progetti genetici che collegano il cervello umano. "Sviluppando ulteriormente questo approccio, speriamo un giorno di decodificare e forse anche riparare i circuiti difettosi nel cervello umano, " disse Li, il cui lavoro interdisciplinare su questo progetto è stato sostenuto dallo Stanford Neurosciences Institute.