I ricercatori hanno sviluppato un nuovo e potente modo per mappare come le cellule cerebrali si collegano etichettando i neuroni con “codici a barre” molecolari. Utilizzando questa tecnica, sono riusciti a tracciare migliaia di connessioni neurali nel cervello del topo con una velocità e un dettaglio notevoli.
Questo metodo potrebbe approfondire la comprensione di come sono organizzate e di come funzionano le complesse reti cerebrali. Potrebbe anche fare luce su cosa non va nei disturbi neurologici e su come malattie come l’Alzheimer si sviluppino nel tempo.
“Quando si progetta un computer, devi conoscere la circuiteria dell’unità centrale di elaborazione. Se non sai come tutto è collegato insieme, non puoi capirne la funzione, ottimizzarla o ripararla quando qualcosa si rompe. Stiamo affrontando il cervello allo stesso modo”, ha dichiarato il responsabile dello studio Boxuan Zhao, professore di biologia cellulare e dello sviluppo presso l’Università dell’Illinois Urbana-Champaign.
“La nostra tecnologia consente la mappatura simultanea di migliaia di connessioni neurali con risoluzione a singola sinapsi — una capacità che non esiste in nessuna tecnologia attuale. È direttamente applicabile alla comprensione della disfunzione dei circuiti nelle malattie neurodegenerative e potrebbe fornire una piattaforma per sviluppare interventi terapeutici guidati dai circuiti,” ha detto.
I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Methods .
Un modo più veloce e dettagliato per mappare il cervello
Mappare il cervello è tradizionalmente lento e difficile. Gli scienziati spesso dovevano tagliare il tessuto cerebrale in sezioni estremamente sottili, fotografarli al microscopio e ricostruire manualmente i percorsi. Sebbene gli strumenti più recenti basati sul sequenziamento possano etichettare molti neuroni contemporaneamente, di solito mostrano dove si estende un neurone piuttosto che identificare le cellule esatte con cui si collega nella sinapsi, ha detto Zhao.
Per superare questa limitazione, il team di Zhao ha creato una nuova piattaforma chiamata Connectome-seq. Assegna a ogni neurone un unico “codice a barre” di RNA. Proteine specializzate trasportano questi codici a barre dal corpo principale del neurone alla sinapsi, il punto in cui due neuroni si incontrano.
I ricercatori poi isolano queste sinapsi e utilizzano sequenziamento ad alta velocità per leggere quali coppie di codici a barre si trovano insieme. Questo rivela quali neuroni sono direttamente collegati, permettendo agli scienziati di mappare le reti su larga scala.
Trasformare il cablaggio cerebrale in un problema di sequenziamento
“Abbiamo tradotto il problema della connettività neurale in un problema di sequenziamento. Immagina un grande mucchio di palloncini. Il corpo principale di ogni palloncino ha i suoi unici adesivi a barre ovunque, e alcuni si spostano fino alla fine della corda. Se due palloncini sono legati insieme alla fine, i due codici a barre si incontrano all’incrocio,” disse Zhao. “Poi tagliamo i nodi e sequenziamo i codici a barre in ciascuno. Se lo stesso nodo ha adesivi del palloncino A e del palloncino B, sappiamo che questi due palloncini sono legati insieme. Lo stiamo facendo nel cervello, solo a livello di migliaia di cellule neuronali. Con queste informazioni, possiamo ricostruire una mappa sofisticata che rappresenta le connessioni tra tutti questi gruppi apparentemente fluttuanti.”
Scoprire nuove connessioni dei circuiti cerebrali
Utilizzando Connectome-seq, il team ha mappato più di 1.000 neuroni in un circuito cerebrale del topo noto come circuito pontocerebellare, che collega due regioni cerebrali. L’analisi ha rivelato schemi di connettività precedentemente sconosciuti, inclusi collegamenti diretti tra tipi cellulari che non erano noti nel cervello adulto.
“Con i miglioramenti già in corso nel nostro laboratorio, siamo fiduciosi di poterlo migliorare ancora e raggiungere l’obiettivo di mappare tutto il cervello del topo,” disse Zhao.
Potenziale per trasformare la ricerca sull’Alzheimer e sulle malattie cerebrali
Poiché è sia veloce che scalabile, Connectome-seq potrebbe accelerare significativamente la ricerca sulle malattie neurodegenerative, le condizioni psichiatriche e altri disturbi cerebrali. Confrontando le connessioni cerebrali in individui sani con quelli in diversi stadi della malattia, gli scienziati potrebbero essere in grado di identificare i primi cambiamenti nei circuiti neurali.
“
Con gli approcci basati sul sequenziamento, tempi e costi sono notevolmente ridotti, il che rende davvero possibile osservare differenze tra cervelli diversi. Potremmo vedere dove cambiano le connessioni, dove si trovano le parti più vulnerabili del cervello, forse prima ancora che compaiano i sintomi,” disse Zhao. “Ad esempio, se riusciamo a individuare esattamente dove si trova l’anello debole che dà il via all’intera cascata catastrofica della malattia di Alzheimer, possiamo rafforzare specificamente questi legami verso il rallentamento o la differenza?”
La ricerca è stata finanziata da una sovvenzione della Neuro-omics Initiative dell’Istituto di Neuroscienze Wu Tsai dell’Università di Stanford, oltre a finanziamenti della Elsa U. Pardee Foundation e della Edward Mallinckrodt Jr. Foundation.
by 