Un gruppo di neuroscienziati ha pubblicato su Neuron i dettagli di un nuovo e rivoluzionario metodo per mappare il cervello alla straordinaria risoluzione di ogni singolo neurone, dimostrando con successo la tecnica nel cervello murino.

Il cervello umano è tra i più grandi “territori” dell’universo rimasti inesplorati, o quasi, e come per ogni terra misteriosa, il segreto per comprenderla inizia con il “disegnare” una buona mappa. I neuroscienziati hanno fatto un enorme passo verso l’obiettivo di riuscire a mappare le connessioni tra i neuroni nel cervello grazie a frammenti di materiale genetico in codice appartenenti a ogni cellula cerebrale. La tecnica, chiamata MAP-seq (Multiplexed Analysis of Projections by Sequencing), potrebbe aiutare i ricercatori a studiare disturbi ancora avvolti da un certo alone di mistero come l’autismo e la schizofrenia, donando alla ricerca dettagli utili per prevenzione e terapie senza precedenti. Infatti i metodi attualmente in uso per stabilire connessioni e mappature neuronali, note come connettomi del cervello, si basano comunemente su proteine fluorescenti e microscopi per visualizzare le cellule, ma sono laboriosi e difficilmente riescono a seguire le connessioni di molti neuroni contemporaneamente.

 

La MAP -Seq funziona dapprima creando una libreria di virus che contengono in modo randomizzato sequenze di RNA tipo codice a barre, questa miscela di virus viene quindi iniettata nel cervello, approssimativamente un virus entra in ogni neurone dell’area di iniezione, garantendo ad ogni cella un codice a barre a RNA unico. Ogni iniezione è costituita da un virus disattivato che è stato progettato per contenere enormi quantità di molecole di RNA unici singolarmente, ciascuna delle sequenze – composta da 30 “lettere “, o nucleotidi – è captata dai singoli neuroni. Da trenta lettere si possono ottenere molte, molte volte più sequenze di codici a barre ( di preciso 1018 ) e quindi possono essere captati da altrettanti neuroni di topo o cervello umano , quindi questo metodo è particolarmente adatto al problema della enorme complessità che presenta la mappatura neuronale. Il cervello è poi affettato e tagliato in sezioni che vengono ordinate per l’elaborazione. Un sequenziatore di DNA legge i codici a barre di RNA , e i ricercatori possono creare una matrice di connettività che consente di visualizzare come i singoli neuroni si connettono ad altre regioni del cervello.

“Abbiamo le basi per una nuova tecnologia con un migliaia di applicazioni possibili”, afferma Anthony Zador , neuroscienziato al Cold Spring Harbor Laboratory e inventore della tecnica.

Lo studio di recente pubblicazione, che è apparso il 18 Agosto sul prestigioso giornale scientifico Neuron, segue le tentacolari connessioni in uscita di 1.000 neuroni di topo in una regione del cervello chiamata locus coeruleus per dimostrare che la tecnica funziona. Zador afferma che i risultati ottenuti riescono a conciliare scoperte in precedenza contrastanti su come i neuroni si connettano tra loro attraverso il cervello e le diverse aree che lo compongono.

Ma cosa differenzia veramente la MAp-seq dalle tecniche già in uso?
La MAP-seq differisce dai metodi cosiddetti “a tracciamento di massa ” ormai di uso comune , in cui un marcatore – in genere una proteina fluorescente – è espressa da neuroni e trasportata lungo i loro assoni, questi indicatori sono ottimi per determinare tutte le regioni in cui i neuroni proiettano dalla regione di origine, ma non possono dire agli scienziati quale tra due neuroni proietta dalla regione di origine alla stessa regione o a diverse regioni, dunque la differenza sta nella precisione, nella discriminazione ed estrema selettività dei risultati, tanto da permettere un rapporto di uno a uno tra regione di origine e regione di proiezione. Zador ha spiegato questo rapporto in maniera molto semplice, ha paragonato la regione cerebrale in studio ad un aeroporto e le proiezioni neuronali alle varie linee aeree che partono da questo. Ogni linea aerea ha una precisa destinazione e una precisa rotta, grazie alla MAP-seq possiamo avere la certezza di poter mappare ognuna di queste.

 

Justus Kebschull (uno studente laureato nel laboratorio di Zador e primo autore dello studio pubblicato su Neuron, una sorta di eroe per chiunque sia al momento al lavoro su una tesi di dottorato), afferma che la tecnica nel tempo sta anche migliorando . ” Stiamo tracciando 100.000 cellule alla volta , in una settimana , in un esperimento ” dice. “In precedenza è stato possibile solo se si metteva insieme una quantità infinita di dati e di lavoro.”
” Il sequenziamento del RNA è altamente efficiente, un processo automatizzato che rende la MAP-seq uno strumento potenzialmente radicale “, dice Kebschull . “Oltre alla velocità e all’ economicità dell’ RNA sequencing , la tecnica ha il grande vantaggio di rendere possibile per i ricercatori la distinzione tra singoli neuroni all’interno della stessa regione ma che proiettano in parti del cervello diverse . “

 

Sia l’autismo e la schizofrenia sono viste come disturbi che possono derivare da una connettività cerebrale disfunzionale e ci sono forse centinaia di mutazioni genetiche che alterano leggermente la struttura e le connessioni del cervello nel corso dello sviluppo. ” Stiamo cercando, attraverso modelli murini in cui qualcosa è sbagliato, di trovare indizi. Al momento il metodo è così veloce che possiamo guardare a molti modelli di topo diversi contemporaneamente ” , ha dichiarato Kebschull . Confrontando i circuiti cerebrali nei topi con diversi geni candidati per l’autismo, i ricercatori si aspettano di poter ottenere una nuova visione della condizione patologica.

 


” Penso che sia un ottimo metodo con un sacco di possibilità per crescere “, ha dichiarato Je Hyuk Lee, biologo molecolare al Cold Spring Harbor Laboratory, che non ha preso parte allo studio MAP-seq. Anche se altri gruppi in passato hanno già usato simili metodi per la codifica dei codici barre per studiare le differenze individuali tra le cellule, non si sapeva se i codici sarebbero stati in grado di viaggiare lungo le connessioni neuronali in tutto il cervello. “Questo era stato ipotizzato, ma mai mostrato. Soprattutto non in questa scala “, ha affermato Lee . A quanto dice Zandor, il suo è per ora l’unico laboratorio che utilizza i barcode per la codifica del cervello, ma spera che altri inizino a utilizzare MAP-seq per tracciare i circuiti del cervello . ” Poiché il costo del sequenziamento sta continuando a scendere, possiamo prevedere che utilizzare questa tecnica diventerà sempre più rapida ed economica “, ha detto . Dunque non ci sarà da attendere a lungo prima di una mappa completa del cervello da poter essere utilizzata dal suo primo “esploratore”.


Il prossimo obiettivo di Zador et al. grazie alla MAPseq è quello di mappare il cervello di animali che rappresentino un modello per varie malattie dello sviluppo neurologico e di disturbi neuropsichiatrici , per vedere come le mutazioni di geni fortemente associati con la causalità alterino la struttura dei circuiti cerebrali , e quindi , presumibilmente , la funzione cerebrale stessa.

 

Fondato nel 1890, il Cold Spring Harbor Laboratory ha plasmato la ricerca biomedica contemporanea e la formazione grazie a programmi di studio su cancro, neuroscienze, biologia vegetale e biologia quantitativa. Sede di otto premi Nobel , il laboratorio privato non -profit impiega 1.100 persone, tra cui 600 scienziati, studenti e tecnici . Il Programma Meeting & Courses ospita più di 12.000 scienziati di tutto il mondo ogni anno nei suoi campus di Long Island e Suzhou , in Cina. La branca di formazione del laboratorio comprende anche una casa editrice accademica, una scuola di specializzazione e programmi per gli studenti delle scuole medie e superiori e per gli insegnanti.

 

 

Francesca Romana Piccioni