La mappa più grande del cervello in via di sviluppo rivela le fasi in cui hanno origine i disturbi neurologici

Il cervello umano contiene migliaia di tipi di cellule che si formano attraverso processi di sviluppo altamente complessi. Comprendere come queste cellule nascono e si organizzano è stato un compito arduo, poiché gli stati cellulari cambiano rapidamente nel tempo. Ora, una serie di dodici articoli pubblicati su Nature dal consorzio internazionale BRAIN Initiative Cell Atlas Network (BICAN) offre il primo ritratto dinamico e comparativo dello sviluppo del cervello, dal topo all'uomo.

I ricercatori hanno utilizzato tecnologie monocellulari e strumenti spaziali per monitorare come le cellule staminali si trasformano in neuroni e cellule gliali, come l'attività genica viene regolata durante lo sviluppo e come le esperienze sensoriali e l'ambiente influenzano l'identità delle cellule cerebrali. I risultati mostrano che i tipi cellulari non compaiono in fasi fisse, ma piuttosto in ondate sovrapposte, e che alcuni programmi di sviluppo possono essere riattivati ​​in età adulta o in caso di malattia.

"Questi atlanti offrono un modello dettagliato di come i diversi tipi di cellule cerebrali emergono e maturano nel tempo", spiega Hongkui Zeng, direttore delle neuroscienze presso l'Allen Institute e coautore senior. "Sapendo quando e dove i geni chiave vengono attivati ​​durante lo sviluppo, possiamo iniziare a capire come le interruzioni di questo processo portino a disturbi come l'autismo o la schizofrenia".

Gli studi, finanziati dalla BRAIN Initiative dei National Institutes of Health (NIH) statunitensi, rivelano inoltre che la diversificazione dei tipi neuronali continua dopo la nascita, soprattutto nelle cellule GABAergiche – che regolano l'attività cerebrale – e nella corteccia visiva. In questa regione, nuovi tipi di neuroni si formano durante momenti chiave come l'apertura degli occhi o le prime esperienze visive, dimostrando che le influenze sensoriali influenzano lo sviluppo cerebrale molto più di quanto si pensasse in precedenza.

Come ha detto Zeng al SINC, "la scoperta più rivelatrice è stata quella che le cellule cerebrali continuano a cambiare e diversificarsi durante tutto il periodo postnatale". A suo avviso, questa diversificazione prolungata "potrebbe essere alla base della capacità del cervello di apprendere, adattarsi e acquisire nuove competenze, ma anche di renderlo più vulnerabile alle influenze esterne e, allo stesso tempo, più capace di correggere le disfunzioni".

Questo prolungamento dello sviluppo, aggiunge, “ci costringe a ripensare il modo in cui comprendiamo le cause dei disturbi neuropsichiatrici: diversi disturbi potrebbero comportare sottili alterazioni in fasi specifiche di questo processo, che colpiscono determinati tipi di cellule o meccanismi cellulari, il che apre anche opportunità di intervento”.

Tra le scoperte più straordinarie del team dell'Allen Institute c'è l'identificazione di una cellula progenitrice umana che potrebbe essere collegata al glioblastoma, un tipo di tumore al cervello, e l'individuazione delle finestre temporali in cui si concentrano i rischi genetici dei disturbi psichiatrici.

Confrontare lo sviluppo cerebrale tra le specie, dai topi agli esseri umani, ha permesso ai ricercatori di identificare sia tratti comuni che caratteristiche uniche. Tuttavia, "l'aspetto più difficile nello studio o nella modellizzazione del cervello umano è il suo prolungato sviluppo postnatale, che può durare circa 20 anni, rispetto ai 35 giorni dei topi", sottolinea il ricercatore. "Il cervello umano presenta un processo unico di maturazione ritardata, chiamato neotenia, che potrebbe essere alla base di capacità come il linguaggio o l'intelligenza, ma proprio questa durata rende molto difficile catturarlo sperimentalmente".

Guardando al futuro, lo scienziato ha dichiarato a SINC che il consorzio BICAN mira a "creare mappe complete dello sviluppo cellulare in tutto il cervello animale, sovrapporre i dati umani disponibili e allineare i risultati tra le specie per colmare le lacune critiche nelle nostre conoscenze".

L'obiettivo, aggiunge, "è quello di effettuare analisi computazionali e simulazioni su larga scala per comprendere le forze molecolari che guidano lo sviluppo del cervello e, da lì, avviare studi funzionali che spieghino come le sensazioni, il comportamento e altre funzioni cerebrali si sviluppano nel tempo".

Secondo Zeng, questo sforzo avrà un triplice impatto: "In primo luogo, comprenderemo meglio cosa rende unico il cervello umano. In secondo luogo, saremo in grado di studiare con maggiore precisione quando e dove i cervelli malati cambiano, sia nei tessuti umani che nei modelli animali. E in terzo luogo, questa conoscenza ci permetterà di progettare modelli in vitro migliori e terapie geniche e cellulari più precise per il trattamento delle malattie neuropsichiatriche".

La raccolta dati BICAN è una risorsa fondamentale per studi futuri volti a collegare le fasi dello sviluppo con la vulnerabilità alle malattie. Servirà anche a migliorare la progettazione di organoidi cerebrali e modelli animali, e a sviluppare terapie mirate ai periodi critici dello sviluppo. Sebbene vi siano ancora regioni cerebrali da studiare e difficoltà nell'integrazione dei dati, i ricercatori affermano che questi atlanti iniziali rappresentano un passo decisivo verso una comprensione completa del cervello in via di sviluppo.