La vita è piena di schemi. È comune per gli esseri viventi creare una serie ripetuta di caratteristiche simili man mano che crescono:pensa alle piume che variano leggermente in lunghezza sull'ala di un uccello o ai petali più corti e più lunghi su una rosa.

Si scopre che il cervello non è diverso. Utilizzando microscopia avanzata e modelli matematici, I ricercatori di Stanford hanno scoperto un modello che governa la crescita delle cellule cerebrali o dei neuroni. Regole simili potrebbero guidare lo sviluppo di altre cellule all'interno del corpo, e la loro comprensione potrebbe essere importante per la bioingegneria di tessuti e organi artificiali.

Il loro studio, pubblicato in Fisica della natura , si basa sul fatto che il cervello contiene molti tipi diversi di neuroni e che occorrono diversi tipi che lavorano di concerto per eseguire qualsiasi compito. I ricercatori volevano scoprire i modelli di crescita invisibili che consentono ai giusti tipi di neuroni di sistemarsi nelle giuste posizioni per costruire un cervello.

"Come si organizzano le cellule con funzioni complementari per costruire un tessuto funzionante?" ha detto il coautore dello studio Bo Wang, un assistente professore di Bioingegneria. "Abbiamo scelto di rispondere a questa domanda studiando un cervello perché si pensava comunemente che il cervello fosse troppo complesso per avere una semplice regola di schema. Ci siamo sorpresi quando abbiamo scoperto che c'era, infatti, una regola del genere".

Il cervello che hanno scelto di esaminare apparteneva a un planarian, un verme piatto lungo un millimetro che può ricrescere una nuova testa ogni volta dopo l'amputazione. Primo, Wang e Margherita Khariton, uno studente laureato nel suo laboratorio, usavano macchie fluorescenti per marcare diversi tipi di neuroni nel platelminto. Hanno quindi utilizzato microscopi ad alta risoluzione per catturare immagini dell'intero cervello - neuroni luminosi e tutto il resto - e hanno analizzato i modelli per vedere se potevano estrarre da essi le regole matematiche che guidano la loro costruzione.

Quello che hanno scoperto è che ogni neurone è circondato da circa una dozzina di vicini simili a se stesso, ma fra di loro sono disseminati altri tipi di neuroni. Questa disposizione unica significa che nessun singolo neurone si trova a filo del suo gemello, pur consentendo a diversi tipi di neuroni complementari di essere abbastanza vicini da lavorare insieme per completare le attività.

I ricercatori hanno scoperto che questo schema si ripete più e più volte attraverso l'intero cervello del verme piatto per formare una rete neurale continua. I coautori dello studio Jian Qin, un assistente professore di ingegneria chimica, e lo studioso post-dottorato Xian Kong ha sviluppato un modello computazionale per dimostrare che questa complessa rete di quartieri funzionali deriva dalla tendenza dei neuroni a raggrupparsi il più vicino possibile senza essere troppo vicini ad altri neuroni dello stesso tipo.

Mentre i neuroscienziati potrebbero un giorno adattare questa metodologia per studiare lo schema neuronale nel cervello umano, i ricercatori di Stanford ritengono che la tecnica potrebbe essere applicata più utilmente al campo emergente dell'ingegneria dei tessuti.

L'idea di base è semplice:gli ingegneri dei tessuti sperano di indurre cellule staminali, il potente, cellule di uso generale da cui derivano tutti i tipi di cellule, crescere nelle varie cellule specializzate che formano un fegato, rene o cuore. Ma gli scienziati dovranno sistemare quelle cellule diverse nei modelli giusti se vogliono che il cuore batta.

"La questione di come gli organismi crescono in forme che svolgono funzioni utili ha affascinato gli scienziati per secoli, " Wang ha detto. "Nella nostra era tecnologica, non ci limitiamo a comprendere questi modelli di crescita a livello cellulare, ma possiamo anche trovare modi per implementare queste regole per le applicazioni di bioingegneria".