Gli scienziati di Stanford hanno scoperto il modello invisibile che i neuroni in crescita seguono per formare un…


I ricercatori di Stanford hanno usato la microscopia avanzata e la modellazione matematica per scoprire un modello che governa la crescita dei neuroni nel cervello di flatworm, mostrato qui. Utilizzando questa tecnica, sperano di trovare modelli che guidano la crescita delle cellule in altre parti del corpo al fine di spianare la strada a tessuti e organi artificiali bioingegneri. Credito: Per gentile concessione di Wang Lab

Scienziati di Stanford Scoprano le regole matematiche alla base della crescita cerebrale

Utilizzando la microscopia e la matematica, i ricercatori hanno scoperto il modello invisibile che i neuroni in crescita seguono per formare un cervello. La tecnica potrebbe un giorno permettere ai bioingegneri di convincere le cellule staminali a crescere in parti del corpo sostitutive.

La vita è piene 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 di lunghezza sull’ala di un uccello o ape più corte e più lunghe su una rosa.

Si scopre che il cervello non è diverso. Utilizzando la microscopia avanzata e la modellazione matematica, 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 comprenderle potrebbe essere importante per la bioingegneria dei tessuti e degli organi artificiali.

Il loro studio, pubblicato su Nature Physics il 9 marzo 2020, si basa sul fatto che il cervello contiene molti tipi diversi di neuroni e che ci vogliono diversi tipi di lavoro in concerto per eseguire qualsiasi compito. I ricercatori volevano scoprire i modelli di crescita invisibili che consentono ai giusti tipi di neuroni di organizzarsi nelle posizioni giuste per costruire un cervello.

“Come fanno le cellule con funzioni complementari a costruire un tessuto funzionante?”, ha detto Bo Wang, co-autore dello studio, un assistente professore di bioingegneria. “Abbiamo scelto di rispondere a questa domanda studiando un cervello perché era stato comunemente supposto che il cervello fosse troppo complesso per avere una semplice regola di modellistica. Ci siamo sorpresi quando abbiamo scoperto che c’era, infatti, una tale regola.”

Il cervello che hanno scelto di esaminare apparteneva a un planario, un verme piatto lungo un millimetro che può ricrescere una nuova testa ogni volta dopo l’amputazione. In primo luogo, Wang e Margarita Khariton, uno studente laureato nel suo laboratorio, hanno usato macchie fluorescenti per contrassegnare diversi tipi di neuroni nel verme piatto. Hanno quindi usato microscopi ad alta risoluzione per catturare immagini di tutto il cervello – neuroni incandescenti e tutto il resto – e hanno analizzato i modelli per vedere se potevano estrarre da loro 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 che intervallati tra di loro sono altri tipi di neuroni. Questa disposizione unica significa che nessun singolo neurone si trova a filo contro il suo gemello, pur consentendo diversi tipi di neuroni complementari per essere abbastanza vicino per lavorare insieme per completare le attività.

I ricercatori hanno scoperto che questo modello si ripete più e più volte attraverso l’intero cervello flatworm per formare una rete neurale continua. I co-autori dello studio Jian Qin, un assistente professore di ingegneria chimica e studioso post-dottorato Xian Kong hanno sviluppato un modello computazionale per dimostrare che questa complessa rete di quartieri funzionali deriva dalla tendenza dei neuroni a confezionare insieme come il più possibile senza essere troppo vicino ad altri neuroni dello stesso tipo.

Mentre i neuroscienziati potrebbero un giorno adattare questa metodologia per studiare il pattern neuronale nel cervello umano, i ricercatori di Stanford ritengono che la tecnica potrebbe essere applicata più utilmente al campo emergente dell’ingegneria tissutale.

L’idea di base è semplice: gli ingegneri tissutali sperano di indurre le cellule staminali, le potenti cellule generiche da cui derivano tutti i tipi di cellule, a crescere nelle varie cellule specializzate che formano un fegato, un rene o un cuore. Ma gli scienziati dovranno disporre queste cellule diverse nei modelli giusti se vogliono che il cuore sbatta.

“La questione di come gli organismi crescano in forme che svolgono funzioni utili ha affascinato gli scienziati per secoli”, ha detto Wang. “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.”

Riferimento: “Inceppamento neuronale cromatico in un cervello primitivo” di Margarita Khariton, Xian Kong, Jian Qin e Bo Wang, 9 marzo 2020, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-020-0809-9