Gli astrociti (in giallo) sono un tipo di cellule cerebrali non neuronali o gliali note per svolgere ruoli vitali nello sviluppo e nel funzionamento del cervello. Il laboratorio di Guoping Feng ha creato un atlante che descrive in dettaglio come le popolazioni di astrociti cambiano con lo sviluppo, la maturazione e l’invecchiamento del cervello. Crediti immagine: Margaret Schroeder, Guoping Feng ed Edward Boyden / MIT.
Gli astrociti contribuiscono a modellare i circuiti neurali, partecipano all’elaborazione delle informazioni e forniscono supporto nutrizionale e metabolico ai neuroni. Le singole cellule possono assumere nuovi ruoli nel corso della loro vita e, in qualsiasi momento, gli astrociti in una parte del cervello avranno un aspetto e un comportamento diversi rispetto agli astrociti in altre parti del cervello.
Dopo un’analisi approfondita condotta dai ricercatori del MIT, i neuroscienziati hanno ora a disposizione un atlante che descrive dettagliatamente la diversità dinamica degli astrociti. Le sue mappe illustrano la specializzazione regionale degli astrociti nel cervello di topi e marmoset – due potenti modelli per la ricerca neuroscientifica – e mostrano come le loro popolazioni si evolvano con lo sviluppo, la maturazione e l’invecchiamento del cervello.
Lo studio open access, pubblicato sulla rivista Neuron, è stato condotto da Guoping Feng, James W. (1963) e Patricia T. Poitras Professor of Brain and Cognitive Sciences al MIT. Questo lavoro è stato supportato dall’Hock E. Tan and K. Lisa Yang Center for Autism Research, parte dello Yang Tan Collective del MIT, e dalla BRAIN Initiative dei National Institutes of Health.
“È davvero importante per noi prestare attenzione al ruolo delle cellule non neuronali nella salute e nella malattia”, afferma Feng, che è anche Direttore associato del McGovern Institute for Brain Research e Direttore dell’Hock E. Tan and K. Lisa Yang Center for Autism Research al MIT. E in effetti, queste cellule, un tempo considerate semplici comprimari, hanno guadagnato maggiore attenzione negli ultimi anni. È noto che gli astrociti svolgono ruoli vitali nello sviluppo e nel funzionamento del cervello e la loro disfunzione sembra contribuire a molti disturbi psichiatrici e malattie neurodegenerative. “Ma rispetto ai neuroni, ne sappiamo molto meno, soprattutto durante lo sviluppo”, aggiunge Feng.
Esplorare l’ignoto
Feng e Margaret Schroeder, ex studentessa laureata nel suo laboratorio, ritenevano importante comprendere la diversità degli astrociti lungo tre assi: spazio, tempo e specie. Da precedenti lavori di laboratorio, svolti in collaborazione con il laboratorio di Steve McCarroll all’Università di Harvard e guidati da Fenna Krienen nel suo gruppo, sapevano che negli animali adulti, diverse parti del cervello presentano gruppi distinti di astrociti.
“La domanda naturale era: quanto precocemente pensiamo che inizi questa distribuzione regionale degli astrociti nello sviluppo?“, afferma Schroeder.
Per scoprirlo, lei e i suoi colleghi hanno raccolto cellule cerebrali da topi e uistitì in sei fasi della vita, dallo sviluppo embrionale alla vecchiaia. Per ogni animale, hanno campionato cellule da quattro diverse regioni cerebrali: la corteccia prefrontale, la corteccia motoria, lo striato e il talamo.
Successivamente, in collaborazione con Krienen, ora Professore associato presso la Princeton University, hanno analizzato il contenuto molecolare di queste cellule, creando un profilo dell’attività genetica per ciascuna di esse. Tale profilo si basava sulle copie di mRNA dei geni presenti all’interno della cellula, note collettivamente come trascrittoma cellulare. Determinare quali geni una cellula sta utilizzando e quanto siano attivi fornisce ai ricercatori informazioni sulla funzione di una cellula ed è un modo per definirne l’identità.
Diversità dinamica
Dopo aver valutato i trascrittomi di circa 1,4 milioni di cellule cerebrali, il gruppo si è concentrato sugli astrociti, analizzandone e confrontandone i modelli di espressione genica. In ogni fase della vita, da prima della nascita alla vecchiaia, il team ha riscontrato una specializzazione regionale: “gli astrociti di diverse regioni cerebrali presentavano modelli di espressione genica simili, distinti da quelli degli astrociti di altre regioni cerebrali”.
Questa specializzazione regionale era evidente anche nelle forme distinte degli astrociti nelle diverse parti del cervello, che il team è stato in grado di osservare con la microscopia a espansione, un metodo di imaging ad alta risoluzione sviluppato dal collega di McGovern Edward Boyden che rivela le caratteristiche cellulari più fini.
In particolare, gli astrociti in ciascuna regione cambiavano con la maturazione degli animali. “Quando abbiamo osservato il nostro punto di sviluppo embrionale avanzato, gli astrociti erano già strutturati a livello regionale. Ma confrontandoli con i profili degli adulti, si erano di nuovo completamente spostati“, afferma Schroeder. “Quindi qualcosa sta accadendo durante lo sviluppo postnatale”. I cambiamenti più significativi rilevati dal team si sono verificati tra la nascita e la prima adolescenza, un periodo durante il quale il cervello si riprogramma rapidamente man mano che gli animali iniziano a interagire con il mondo e ad apprendere dalle proprie esperienze.
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Feng e Schroeder sospettano che i cambiamenti osservati possano essere guidati dai circuiti neurali che si scolpiscono e si affinano con la maturazione del cervello. “Quello che pensiamo stiano facendo è una sorta di adattamento alla loro nicchia neuronale locale“, afferma Schroeder. “I tipi di geni che regolano e modificano durante lo sviluppo indicano la loro interazione con i neuroni”. Feng aggiunge che gli astrociti potrebbero modificare i loro programmi genetici in risposta ai neuroni vicini o, in alternativa, potrebbero contribuire a dirigere lo sviluppo o la funzione dei circuiti locali, adottando le identità più adatte a supportare specifici neuroni.
Sia il cervello dei topi che quello degli uistitì hanno mostrato una specializzazione regionale degli astrociti e cambiamenti in quelle popolazioni nel tempo. Tuttavia, quando i ricercatori hanno esaminato i geni specifici la cui attività definiva le varie popolazioni di astrociti, i dati delle due specie divergevano. Schroeder definisce questo un avvertimento per gli scienziati che studiano gli astrociti nei modelli animali e aggiunge che il nuovo atlante aiuterà i ricercatori a valutare la potenziale rilevanza dei risultati tra le specie.
Oltre gli astrociti
Grazie a una nuova comprensione della diversità degli astrociti, Feng afferma che il suo team presterà molta attenzione a come queste cellule siano influenzate dai geni correlati alle malattie che studiano e a come questi effetti cambino durante lo sviluppo. Osserva inoltre che i dati sull’espressione genica nell’atlante possono essere utilizzati per prevedere le interazioni tra astrociti e neuroni. “Questo guiderà davvero gli esperimenti futuri: come le interazioni di queste cellule possano cambiare con i cambiamenti nei neuroni o negli astrociti”, afferma.
Il laboratorio di Feng è ansioso che altri ricercatori possano trarre vantaggio dalle enormi quantità di dati generate durante la realizzazione del loro atlante. Schroeder sottolinea che il team ha analizzato i trascrittomi di tutti i tipi di cellule nelle regioni cerebrali studiate, non solo degli astrociti. Stanno condividendo i loro risultati in modo che i ricercatori possano utilizzarli per capire quando e dove specifici geni vengono utilizzati nel cervello o per approfondire ulteriormente l’analisi per esplorare ulteriormente la diversità cellulare del cervello.