La nostra comprensione del funzionamento interno del cervello umano è stata a lungo ostacolata dalla difficoltà pratica ed etica di osservare lo sviluppo, la connessione e l'interazione dei neuroni umani. Oggi, dentro un nuovo studio pubblicato nella Natura, neuroscienziati della Stanford University guidati da Sergio Paşca riferiscono di aver trovato un nuovo modo di studiare i neuroni umani, trapiantando tessuti simili a cervelli umani in ratti che hanno solo pochi giorni, quando i loro cervelli non si sono ancora completamente formati. I ricercatori mostrano che i neuroni umani e altre cellule cerebrali possono crescere e integrarsi nel cervello del topo, diventando parte del circuito neurale funzionale che elabora le sensazioni e controlla gli aspetti dei comportamenti.
Utilizzando questa tecnica, gli scienziati dovrebbero essere in grado di creare nuovi modelli viventi per un'ampia gamma di disturbi dello sviluppo neurologico, comprese almeno alcune forme di disturbo dello spettro autistico. I modelli sarebbero altrettanto pratici per gli studi di laboratorio neuroscientifico come lo sono gli attuali modelli animali, ma sarebbero migliori sostituti per i disturbi umani perché sarebbero costituiti da cellule umane reali in circuiti neurali funzionali. Potrebbero essere obiettivi ideali per i moderni strumenti di neuroscienza che sono troppo invasivi per essere utilizzati nei veri cervelli umani.
“Questo approccio è un passo avanti per il campo e offre un nuovo modo di comprendere i disturbi del funzionamento neuronale," disse Madeline Lancaster, neuroscienziato presso l'MRC Laboratory of Molecular Biology di Cambridge, nel Regno Unito, che non è stato coinvolto nel lavoro.
Il lavoro segna anche un nuovo entusiasmante capitolo nell'uso degli organoidi neurali. Quasi 15 anni fa, i biologi hanno scoperto che le cellule staminali umane potevano auto-organizzarsi e crescere in piccole sfere che contenevano diversi tipi di cellule e assomigliavano al tessuto cerebrale. Questi organoidi hanno aperto una nuova finestra sulle attività delle cellule cerebrali, ma la vista ha i suoi limiti. Mentre i neuroni in una parabola possono connettersi tra loro e comunicare elettricamente, non possono formare circuiti veramente funzionali o raggiungere la piena crescita e abilità computazionale di neuroni sani nel loro habitat naturale, il cervello.
Lavoro pionieristico da vari gruppi di ricerca hanno dimostrato anni fa che gli organoidi del cervello umano potevano essere inseriti nel cervello di ratti adulti e sopravvivere. Ma il nuovo studio mostra per la prima volta che il cervello in crescita di un topo appena nato accetterà i neuroni umani e permetterà loro di maturare, integrandoli anche in circuiti locali in grado di guidare il comportamento del topo.
Paşca ha sottolineato che c'erano "mille ragioni per credere che non avrebbe funzionato", date le drastiche differenze su come e quando si sviluppano i sistemi nervosi delle due specie. Eppure ha funzionato, con le cellule umane che hanno trovato gli indizi di cui avevano bisogno per stabilire connessioni essenziali.
"Questo è uno studio molto necessario ed elegante che guida il campo nella giusta direzione per cercare approcci per far avanzare la rilevanza fisiologica degli organoidi del cervello umano per modellare le fasi successive dello sviluppo del cervello umano", ha affermato Giorgia Quadrata, neuroscienziato presso la University of Southern California.
La comprensione dei processi cellulari e molecolari che vanno storti nei neuroni e portano a disturbi cerebrali è sempre stata la motivazione di Paşca. [Nota del redattore: vedere il intervista di accompagnamento con Paşca sulla sua vita, carriera e motivazioni per il suo lavoro.] Poiché molti disturbi psichiatrici e neurologici si radicano nel cervello durante lo sviluppo, anche se i sintomi potrebbero non emergere fino ad anni dopo, osservare come si sviluppano i neuroni è sembrato il modo migliore per riempire i vuoti della nostra comprensione. Ecco perché l'obiettivo di Paşca è stato quello di trapiantare organoidi cerebrali umani in ratti appena nati da quando ha iniziato a lavorare con i neuroni in un piatto 13 anni fa.
Nel nuovo lavoro, che era anche diretto dai colleghi di Stanford di Paşca Felicity Gorè, Kevin Kelley e Omer Revah (ora all'Università Ebraica di Gerusalemme) - il team ha inserito organoidi corticali del cervello umano nella corteccia somatosensoriale di cuccioli di ratto molto giovani, prima che i circuiti cerebrali dei cuccioli fossero completamente stabiliti. Ciò ha dato ai neuroni umani la possibilità di ricevere connessioni a lungo raggio da una regione chiave che elabora le informazioni sensoriali in arrivo. Quindi i ricercatori hanno aspettato di vedere se l'organoide sarebbe cresciuto di concerto con il resto del cervello in via di sviluppo del topo.
"Abbiamo scoperto che se inseriamo l'organoide in quella fase iniziale ... cresce fino a nove volte più grande di quanto non fosse inizialmente in un periodo di quattro o cinque mesi", ha affermato Paşca. Ciò si è tradotto in un'area di tessuto cerebrale simile a quello umano che copriva circa un terzo di uno degli emisferi cerebrali del topo.
Ma anche se i neuroni umani sono rimasti insieme nell'area corticale in cui sono stati posizionati chirurgicamente, i ricercatori hanno dimostrato che sono diventati parti attive dei circuiti neurali infilati in profondità nel cervello del topo. La maggior parte dei neuroni umani trapiantati ha iniziato a rispondere alle sensazioni tattili dei baffi del topo: quando gli sbuffi d'aria venivano diretti verso i baffi, i neuroni umani diventavano più attivi elettricamente.
Ancora più sorprendente, il flusso dei segnali neurali potrebbe anche correre nella direzione opposta e influenzare il comportamento. Quando i neuroni umani sono stati stimolati con la luce blu (attraverso una tecnica chiamata optogenetica), si è innescato un comportamento condizionato nei topi che li ha portati a cercare una ricompensa leccando più spesso una bottiglia d'acqua.
"Ciò significa che abbiamo effettivamente integrato cellule umane nei circuiti", ha affermato Paşca. “Non sta cambiando i circuiti. ... È solo che le cellule umane ora ne fanno parte".
Le cellule trapiantate non imitavano perfettamente il tessuto cerebrale umano nel loro nuovo ambiente. Ad esempio, non si sono organizzati nella stessa struttura multistrato vista nella corteccia umana. (Né seguivano la guida dei neuroni di ratto circostanti e formavano le colonne a forma di botte caratteristiche della corteccia somatosensoriale del ratto.) Ma i singoli neuroni trapiantati conservavano molte delle normali proprietà elettriche e strutturali umane.
Le cellule hanno sfruttato un importante vantaggio di trovarsi all'interno di un cervello: si sono collegate con successo al sistema vascolare del cervello di ratto, consentendo ai vasi sanguigni di permeare il tessuto per fornire ossigeno e ormoni. Si ritiene che la mancanza di afflusso di sangue sia una delle ragioni principali per cui i neuroni umani che crescono in un piatto di routine non riescono a maturare completamente, insieme alla mancanza di input di segnali neurali che sono probabilmente necessari per modellare lo sviluppo, ha spiegato Paşca. Quando il suo team ha confrontato i neuroni umani trapiantati con quelli che vivono in un piatto, ha scoperto che i neuroni trapiantati erano sei volte più grandi, con una dimensione e un profilo di attività elettrica più vicini a quelli dei neuroni del tessuto cerebrale umano naturale.
"C'è qualcosa nell'ambiente in vivo - quindi, i nutrienti e i segnali elettrici che stanno ricevendo nel cervello - che porta le cellule umane a un altro livello di maturazione", ha detto Paşca.
Poiché i neuroni umani sono maturati così tanto all'interno del cervello dei topi, Paşca e i suoi colleghi hanno potuto vedere differenze insolite nello sviluppo di organoidi cerebrali derivati da persone con una malattia genetica chiamata sindrome di Timothy, che spesso causa autismo ed epilessia. Nel cervello dei ratti, i neuroni umani trapiantati che trasportano i geni per la sindrome di Timothy hanno sviluppato rami dendritici anormali che hanno stabilito connessioni insolite. Fondamentalmente, alcuni di questi sviluppi atipici potrebbero essere visti solo nei neuroni umani che crescono all'interno della corteccia del ratto e non nei neuroni organoidi in un piatto.
Paşca sottolinea che fino ad ora, questi tipi di sottili cambiamenti nei neuroni in maturazione che influenzano la funzione cerebrale e portano a disturbi neurologici e psichiatrici ci sono stati in gran parte nascosti.
"I risultati sono molto eccitanti", ha detto Bennet Novitch, neuroscienziato e biologo delle cellule staminali presso l'Università della California, Los Angeles. Gli studi in vitro sui tessuti neurali saranno ancora più rapidi e pratici per molti tipi di studi neurologici e test antidroga, ha osservato, ma il nuovo articolo "illustra come rivelare le caratteristiche mature dei neuroni umani... si ottiene ancora meglio nell'ambiente in vivo .”
Paşca spera che essere in grado di studiare i neuroni umani maturi all'interno dei ratti avvicinerà finalmente i trattamenti per i disturbi psichiatrici e le condizioni neurologiche. Anche gli altri sul campo sperano. "Se questa strategia di trapianto di organoidi può davvero imitare le firme della malattia, ciò potrebbe davvero accelerare il nostro percorso verso le cure", ha affermato Gioele Blanchard, neuroscienziato presso la Icahn School of Medicine del Monte Sinai.
La natura del nuovo lavoro può sollevare interrogativi sul benessere e sul trattamento etico dei topi. Per questo motivo, Paşca ei suoi colleghi hanno tenuto discussioni attive con gli esperti di etica sin dall'inizio. Come in tutti gli esperimenti che coinvolgono animali, c'era un requisito legale che i ratti fossero ampiamente monitorati da tecnici di laboratorio con l'autorità di interrompere l'esperimento in qualsiasi momento. Ma nessuna differenza è stata trovata nei ratti con organoidi cerebrali umani trapiantati in una serie di test comportamentali e cognitivi.
Inso Hyun, un bioeticista affiliato al Center for Bioethics della Harvard Medical School, ha affermato di non avere alcuna preoccupazione etica sugli esperimenti in corso. Il team di Paşca ha seguito tutte le linee guida sviluppate dalla Società internazionale per la ricerca sulle cellule staminali che disciplinano la ricerca con gli organoidi del cervello umano e il trasferimento di cellule umane negli animali. "Per me, il problema è davvero capire: dove vai da lì?" Egli ha detto.
Hyun è più preoccupato per altri gruppi di ricerca che ora potrebbero interessarsi al trapianto di organoidi del cervello umano in specie più simili alla nostra, come i primati non umani. "Dovresti avere una conversazione molto intensa a livello di supervisione sul perché sei giustificato ad andare a qualcosa di più complesso", ha detto Hyun.
Paşca dice che lui ei suoi colleghi non hanno alcun interesse per tali esperimenti che spingono i confini. Ritiene inoltre che la difficoltà di coltivare e sostenere gli organoidi per il trapianto frenerà la maggior parte della ricerca potenzialmente sconsiderata. "Ci sono pochi posti con le infrastrutture e le competenze necessarie per farlo", ha affermato.
Le sfide scientifiche più immediate e pratiche risiedono nel miglioramento degli organoidi del cervello umano che vengono trapiantati nei ratti. Indubbiamente, c'è ancora molta strada da fare. Al tessuto cerebrale umano mancano attualmente molte importanti cellule cerebrali oltre ai neuroni, come microglia e astrociti, nonché neuroni coinvolti nell'inibizione dell'attività di altri neuroni. Il team di Paşca sta attualmente lavorando a esperimenti che trapianteranno "assembloidi", insiemi di organoidi che rappresentano diverse regioni del cervello le cui cellule migrano e interagiscono tra loro.
Potrebbero esserci dei limiti a quanto i risultati dei neuroni umani all'interno di un cervello di ratto possono essere applicati a un cervello umano naturale. I ratti utilizzati in questi studi sui trapianti sono nati con un sistema immunitario difettoso, a causa di una mutazione genetica. Ciò li rende adatti ai trapianti, poiché è meno probabile che il loro sistema immunitario rifiuti le cellule umane impiantate. Ma significa anche che gli studi sulle malattie neurodegenerative come l'Alzheimer che sono note per avere componenti immunitarie potrebbero essere più difficili. E non importa quanto siano realistici gli organoidi del cervello umano trapiantati, fintanto che si trovano nel cervello di un ratto, saranno esposti al sangue di ratto, con il suo profilo unico di nutrienti e ormoni, piuttosto che al sangue umano. I neuroscienziati potrebbero quindi studiare sistemi che sono in qualche modo inferiori alla realtà all'interno del cranio umano.
Ma per Paşca, questo nuovo sistema offre l'opportunità di avvicinarsi più che mai alla verità di base su come i processi neurobiologici alterati causano disturbi neurologici e psichiatrici. Il trapianto di organoidi in ratti neonati offre finalmente un modo per impiegare tutta la forza dei moderni strumenti delle neuroscienze nella ricerca sullo sviluppo di neuroni e circuiti umani.
"Problemi difficili, come la comprensione dei disturbi psichiatrici che sono condizioni unicamente umane, richiederanno approcci audaci", ha affermato Paşca.
