I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un modello che spiega come le cellule nervose del cervello si connettono durante lo sviluppo. Il loro modello rivela che il fattore cruciale è la divisione cellulare progressiva. Questo processo porta naturalmente alla formazione di indirizzi molecolari che consentono ai neuroni di navigare.

Il cervello umano è di gran lunga l'organo più complesso che la natura abbia mai prodotto:100 miliardi di cellule nervose, ciascuna collegata ad altre cellule tramite diversi punti di contatto, assicurano che il nostro set di abilità includa la capacità di una notevole potenza cerebrale. Ma non è chiaro come questo organo eccezionale riesca a formarsi da quello che inizia come un ammasso non strutturato di cellule embrionali.

Nessun progetto definitivo

Negli ultimi anni, ingenti somme di finanziamenti per la ricerca sono state versate per rilevare con precisione la struttura del cervello completamente formato. La comunità scientifica spera che una mappatura completa dei neuroni e delle loro connessioni, noti collettivamente come connettoma, fornisca una migliore comprensione di come funziona il cervello.

Tuttavia, la domanda fondamentale complementare di come il cervello si formi a partire da informazioni genetiche limitate rimane senza risposta. Per descrivere il connettoma, i geni dovrebbero contenere un miliardo di volte più informazioni di quelle che effettivamente contengono. Allora, com'è possibile che gli esseri umani e gli animali nascano con un cervello complesso e in gran parte prestrutturato che consente loro di fare rapidi progressi nell'apprendimento non appena sono nati?

Istruzioni per la connessione

La risposta a questo enigma è sorprendentemente semplice, afferma Stan Kerstjens, uno studente di dottorato presso l'Istituto di Neuroinformatica dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Zurigo, e i suoi due consulenti Richard Hahnloser, Professore di Neuroscienze dei Sistemi, e Rodney Douglas, Professore Emerito di Neuroinformatica .

"È chiaro che le istruzioni per il cablaggio del cervello devono essere codificate geneticamente, altrimenti i cervelli delle persone non svilupperebbero tutti una struttura simile", afferma Kerstjens. "Tuttavia, non è il connettoma dettagliato che viene codificato, ma piuttosto un singolo metodo di ricerca compatto. Questo metodo può quindi essere utilizzato dagli assoni, le lunghe fibre che stabiliscono il contatto con altre cellule. La rete viene quindi costruita dagli assoni che cercano cellule che sono parenti genetici del proprio neurone."

Struttura spaziale e genetica

Questo nuovo meccanismo è descritto in un articolo pubblicato di recente sulla rivista PLOS Computational Biology . I ricercatori hanno sviluppato un modello che consente loro di simulare lo sviluppo del cervello di un topo in fase embrionale e adulta. In termini umani, corrisponde allo stadio di maturità di un bambino di sei anni.

"Essenzialmente, è un modello di crescita per i tessuti", spiega Kerstjens. Il modello inizia con una singola cella. Quando emergono nuovi neuroni, ogni divisione cellulare porta a cambiamenti strutturati nell'espressione genica. Questo meccanismo garantisce che ogni cellula figlia abbia un'espressione genica simile, ma non identica, al suo genitore e che le cellule con un'espressione genica simile siano raggruppate l'una vicino all'altra. L'organizzazione in base allo sviluppo delle cellule fa sì che vengano contrassegnate come punti su una mappa, che la biologia del cervello può utilizzare per la navigazione degli assoni.

Sequenza sistematica di cellule

Durante lo sviluppo embrionale, questo processo stabilisce una gerarchia di marcatori genetici in diverse regioni del cervello, ognuna delle quali è caratterizzata dal modello genetico dei suoi antenati comuni. Navigare nello spazio descritto da questa gerarchia simile a una mappa implica seguire una sequenza sistematica di profili genetici che si sono sviluppati con ogni nuova generazione di cellule.

Qui, i ricercatori hanno analizzato i dati sull'espressione genica nel cervello dei topi che sono stati pubblicati dall'Allen Institute for Brain Science di Seattle. "Abbiamo confrontato i dati di laboratorio con le nostre simulazioni e abbiamo visto che in gran parte corrispondevano. Quindi, vediamo che l'espressione dei geni divide effettivamente il cervello in regioni distinte ma correlate", spiega Kerstjens.

Ricerca di celle correlate

Nella seconda fase del modello, le cellule si collegano con altre cellule. "Qui diamo loro solo istruzioni di base su quali segnali molecolari gli assoni dovrebbero usare per guidarli nel loro cammino", continua Kerstjens. "In sostanza, dicevamo a ciascuno di tracciare i modelli genetici che determinavano il proprio sviluppo individuale. Stava quindi agli stessi assoni seguire le direzioni molecolari agli indirizzi delle loro relazioni".

I ricercatori sono stati in grado di dimostrare che questo meccanismo relativamente semplice può portare gli assoni a determinate cellule su grandi distanze, producendo un connettoma molto simile a quello di un vero cervello di topo. "La maggior parte delle cellule si connette ad altre che si trovano nelle vicinanze, mentre alcune arrivano fino a regioni molto distanti. Ciò dà origine ad aree distinte del cervello, ciascuna contenente reti ravvicinate pur essendo connessa ad altre aree ", affermano i ricercatori.

Tuttavia, questo semplice modello non spiega completamente la mappatura di un vero cervello umano. "Ma quello non era l'obiettivo del nostro lavoro", dice Kerstjens. "Vogliamo capire il principio di come viene creato un organo in grado di apprendere. E il lavoro che abbiamo svolto fino ad oggi ci mostra la direzione che può prendere la ricerca futura". + Esplora ulteriormente

Regioni lontane del cervello umano sono collegate tra loro da sorprendentemente poche connessioni