Lo studio del topo trapianta i neuroni per ricostruire i circuiti cerebrali

I trapianti di neuroni hanno riparato i circuiti cerebrali e sostanzialmente normalizzato la funzione nei topi con un disturbo cerebrale, indicando che le aree chiave del cervello sono più riparabili di quanto si credesse, secondo una nuova ricerca.

Collaboratori di quattro istituzioni - Harvard University, Massachusetts General Hospital, Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC) e Harvard Medical School (HMS) - hanno trapiantato neuroni embrionali normalmente funzionanti in una fase accuratamente selezionata del loro sviluppo nell'ipotalamo di topi incapaci di rispondere a leptina, un ormone che regola il metabolismo e controlla il peso corporeo.

Questi topi mutanti di solito diventano morbosamente obesi, ma i trapianti di neuroni hanno riparato i circuiti cerebrali difettosi, consentendo loro di rispondere alla leptina e guadagnare molto meno peso.

La riparazione a livello cellulare dell'ipotalamo - una regione critica e complessa del cervello che regola fenomeni come la fame, il metabolismo, la temperatura corporea e comportamenti di base come il sesso e l'aggressività - indica la possibilità di nuovi approcci terapeutici a condizioni come la colonna vertebrale lesioni del midollo spinale, autismo, epilessia, SLA (morbo di Lou Gehrig), morbo di Parkinson e morbo di Huntington, hanno detto i ricercatori.

"Ci sono solo due aree del cervello che normalmente subiscono una sostituzione neuronale su larga scala durante l'età adulta a livello cellulare - la cosiddetta 'neurogenesi' o la nascita di nuovi neuroni - il bulbo olfattivo e la sottoregione dell'ippocampo chiamato giro dentato, con prove emergenti di neurogenesi in corso di livello inferiore nell'ipotalamo ", ha detto Jeffrey Macklis, MD, professore di cellule staminali e biologia rigenerativa dell'Università di Harvard.

“I neuroni che vengono aggiunti durante l'età adulta in entrambe le regioni sono generalmente piccoli e si pensa che agiscano un po 'come i controlli del volume su segnali specifici. Qui abbiamo ricablato un sistema di circuiti cerebrali di alto livello che non sperimenta naturalmente la neurogenesi e questo ha ripristinato una funzione sostanzialmente normale ".

Gli altri due autori sulla carta sono Jeffrey Flier, decano della Harvard Medical School, e Matthew Anderson, professore di patologia HMS presso Beth Israel.

Nel 2005, Flier ha pubblicato uno studio che mostrava che un farmaco sperimentale ha stimolato l'aggiunta di nuovi neuroni nell'ipotalamo e ha offerto un potenziale trattamento per l'obesità.

Ma mentre la scoperta era sorprendente, i ricercatori non erano sicuri se le nuove cellule funzionassero come neuroni naturali.

Il laboratorio di Macklis aveva sviluppato approcci al trapianto di neuroni in via di sviluppo nei circuiti della corteccia cerebrale di topi con neurodegenerazione o lesione neuronale. In uno studio del 2000, i ricercatori hanno dimostrato l'induzione della neurogenesi nella corteccia cerebrale dei topi adulti, dove normalmente non si verifica. Mentre questi esperimenti e quelli successivi sembravano ricostruire anatomicamente i circuiti cerebrali, il livello di funzione dei nuovi neuroni rimaneva incerto.

Per saperne di più, Flier, un esperto in biologia dell'obesità, ha collaborato con Macklis, un esperto in sviluppo e riparazione del sistema nervoso centrale, e Anderson, un esperto in circuiti neuronali e modelli di malattie neurologiche del topo.

I ricercatori hanno utilizzato un modello murino in cui il cervello non ha la capacità di rispondere alla leptina. Flier e il suo laboratorio hanno studiato a lungo questo ormone, che è mediato dall'ipotalamo. Sordi alla segnalazione della leptina, questi topi diventano pericolosamente sovrappeso.

Ricerche precedenti avevano suggerito che quattro classi principali di neuroni consentissero al cervello di elaborare la segnalazione della leptina. I ricercatori hanno trapiantato e studiato lo sviluppo cellulare e l'integrazione di cellule progenitrici e neuroni molto immaturi da embrioni normali nell'ipotalamo dei topi mutanti, utilizzando diversi tipi di analisi cellulare e molecolare.

Per posizionare le cellule trapiantate esattamente nella regione destra dell'ipotalamo, hanno usato una tecnica chiamata microscopia ad ultrasuoni ad alta risoluzione, creando quello che Macklis chiamava un "ipotalamo chimerico" - come gli animali con caratteristiche miste della mitologia greca.

I ricercatori hanno quindi eseguito un'analisi elettrofisiologica approfondita dei neuroni trapiantati e della loro funzione nel circuito ricevente, sfruttando i neuroni che brillano di verde da una proteina di medusa fluorescente portata come marker.

Questi neuroni nascenti sono sopravvissuti al processo di trapianto e si sono sviluppati strutturalmente, molecolarmente ed elettrofisiologicamente nei quattro tipi di neuroni centrali per la segnalazione della leptina. I nuovi neuroni si sono integrati funzionalmente nel circuito, rispondendo a leptina, insulina e glucosio. I topi trattati sono maturati e pesavano circa il 30% in meno rispetto ai loro fratelli o sorelle non trattati trattati in più modi alternativi.

I ricercatori hanno quindi studiato la misura in cui questi nuovi neuroni erano stati collegati ai circuiti del cervello utilizzando saggi molecolari, microscopia elettronica per visualizzare i dettagli dei circuiti e l'elettrofisiologia patch-clamp, una tecnica in cui i ricercatori utilizzano piccoli elettrodi per studiare le caratteristiche di neuroni individuali e coppie di neuroni in dettaglio. Poiché le nuove cellule erano etichettate con etichette fluorescenti, i ricercatori potevano facilmente individuarle.

I ricercatori hanno scoperto che i neuroni di nuova concezione comunicavano ai neuroni riceventi attraverso normali contatti sinaptici e che il cervello, a sua volta, inviava segnali. Rispondendo a leptina, insulina e glucosio, questi neuroni si erano effettivamente uniti alla rete del cervello e ricablato i circuiti danneggiati.

"È interessante notare che questi neuroni embrionali sono stati collegati con meno precisione di quanto si potrebbe pensare", ha detto Flier. "Ma non sembrava avere importanza. In un certo senso, questi neuroni sono come antenne che sono state immediatamente in grado di captare il segnale della leptina. Dal punto di vista del bilancio energetico, sono colpito dal fatto che un numero relativamente piccolo di neuroni geneticamente normali possa riparare in modo così efficiente il circuito. "

"La scoperta che queste cellule embrionali sono così efficienti nell'integrarsi con i circuiti neuronali nativi ci rende piuttosto entusiasti della possibilità di applicare tecniche simili ad altre malattie neurologiche e psichiatriche di particolare interesse per il nostro laboratorio", ha detto Anderson.

I ricercatori definiscono le loro scoperte una prova di concetto per l'idea più ampia che i nuovi neuroni possono integrarsi specificamente per modificare circuiti complessi che sono difettosi nel cervello di un mammifero.

"Il prossimo passo per noi è porre domande parallele ad altre parti del cervello e del midollo spinale, a coloro che sono coinvolti nella SLA e con lesioni del midollo spinale", ha detto Macklis. “In questi casi, possiamo ricostruire i circuiti nel cervello dei mammiferi? Ho il sospetto che possiamo. "

Il nuovo studio è stato pubblicato sulla rivista Scienza.

Fonte: Harvard University