L'anno in biologia

I nostri ricordi sono la pietra angolare della nostra identità. La loro importanza è una parte importante di ciò che rende il morbo di Alzheimer e altre forme di demenza così crudeli e toccanti. È per questo che abbiamo sperato così disperatamente che la scienza fornisse una cura per l'Alzheimer, e perché è così frustrante e tragico che trattamenti utili abbiano tardato a emergere. Grande entusiasmo ha quindi circondato l'annuncio di settembre che un nuovo farmaco, il lecanemab, ha rallentato la progressione della malattia negli studi clinici. Se sarà approvato dalla Food and Drug Administration, il lecanemab diventerà solo il secondo trattamento per l'Alzheimer che contrasta la proteina amiloide-beta, che è ampiamente considerata la causa della malattia. 

Eppure gli effetti del lecanemab sono così marginali che i ricercatori discutono se il farmaco farà davvero la differenza per i pazienti. Il fatto che il lecanemab si distingua come un punto luminoso parla di quanto sia stata triste gran parte della storia della ricerca sui trattamenti per l'Alzheimer. Nel frattempo, una più profonda comprensione della biologia in gioco sta alimentando l'interesse per le principali teorie alternative sulle cause della malattia.

La speculazione su come funziona la memoria è vecchia almeno quanto Platone, che in uno dei suoi dialoghi socratici scrisse del "dono della memoria, la madre delle Muse", e paragonò il suo funzionamento a un timbro di cera nell'anima. Possiamo essere grati che la scienza abbia notevolmente migliorato la nostra comprensione della memoria dai tempi di Platone - fuori con i timbri di cera, dentro con "engram" di cambiamenti nei nostri neuroni. Solo nell'ultimo anno, i ricercatori hanno compiuto passi entusiasmanti verso l'apprendimento di come e dove risiedono diversi aspetti dei nostri ricordi nel cervello. Più sorprendentemente, hanno persino trovato meccanismi biochimici che distinguono i bei ricordi da quelli cattivi.

Poiché siamo creature dotate di cervello, spesso pensiamo alla memoria in termini puramente neurologici. Tuttavia, il lavoro pubblicato all'inizio del 2022 dai ricercatori del California Institute of Technology suggerisce che anche le singole cellule nei tessuti in via di sviluppo possono contenere alcune registrazioni della storia del loro lignaggio. Queste cellule staminali sembrano fare affidamento su quelle informazioni memorizzate quando si trovano di fronte a decisioni su come specializzarsi in risposta a stimoli chimici. I progressi della biologia nell'ultimo anno hanno svelato anche molte altre sorprese, tra cui approfondimenti su come il cervello si adatta a una prolungata insufficienza alimentare e su come le cellule in migrazione seguono un percorso attraverso il corpo. Vale la pena guardare indietro ad alcuni dei migliori di quel lavoro prima che le rivelazioni del prossimo anno ci diano di nuovo una nuova prospettiva su noi stessi.

Molte persone legate al morbo di Alzheimer, sia attraverso la ricerca che attraverso legami personali con i pazienti, speravano che il 2022 sarebbe stato un anno eccezionale. I principali studi clinici rivelerebbero finalmente se due nuovi farmaci che affrontano la causa principale percepita della malattia hanno funzionato. I risultati purtroppo sono stati inferiori alle aspettative. Uno dei farmaci, il lecanemab, ha mostrato il potenziale per rallentare leggermente il declino cognitivo di alcuni pazienti, ma è stato anche collegato a effetti collaterali talvolta fatali; l'altro, gantenerumab, è stato considerato un vero e proprio fallimento. 

I risultati deludenti coronano tre decenni di ricerca basata in gran parte sulla teoria secondo cui il morbo di Alzheimer è causato da placche di proteine ​​amiloidi che si accumulano tra le cellule cerebrali e le uccidono. Prove crescenti suggeriscono, tuttavia, che l'amiloide è solo un componente di a processo patologico molto più complesso ciò comporta infiammazioni dannose e malfunzionamenti nel modo in cui le cellule riciclano le loro proteine. La maggior parte di queste idee esiste da tanto tempo quanto l'ipotesi dell'amiloide, ma stanno appena iniziando a ricevere l'attenzione che meritano.

In effetti, le aggregazioni di proteine ​​attorno alle cellule cominciano a sembrare un fenomeno quasi universale nei tessuti che invecchiano e non una condizione peculiare dell'amiloide e del morbo di Alzheimer, secondo il lavoro dei ricercatori della Stanford University annunciato in una prestampa la scorsa primavera. L'osservazione potrebbe essere un'altra prova del fatto che il peggioramento dei problemi con la gestione delle proteine ​​può essere una conseguenza di routine dell'invecchiamento per le cellule.

I neuroscienziati hanno capito da tempo molto su come si formano i ricordi, in linea di principio. Hanno saputo che mentre il cervello percepisce, sente e pensa, l'attività neurale che dà origine a quelle esperienze rafforza le connessioni sinaptiche tra i neuroni coinvolti. Quei cambiamenti duraturi nei nostri circuiti neurali diventano le registrazioni fisiche dei nostri ricordi, rendendo possibile rievocare gli schemi elettrici delle nostre esperienze quando sono necessari. I dettagli esatti di quel processo sono stati tuttavia criptici. All'inizio di quest'anno, le cose sono cambiate quando i ricercatori della University of Southern California hanno descritto una tecnica per visualizzare quei cambiamenti poiché si verificano in un cervello vivente, che usavano per osservare un pesce imparare ad associare un calore sgradevole a un segnale luminoso. Con loro sorpresa, mentre questo processo rafforzava alcune sinapsi, ne cancellava altre. 

Il contenuto informativo di un ricordo è solo una parte di ciò che il cervello immagazzina. Anche i ricordi sono codificati con una “valenza” emotiva che li classifica come un'esperienza positiva o negativa. La scorsa estate, i ricercatori hanno riferito che i livelli di una singola molecola rilasciata dai neuroni, chiamata neurotensina, sembrano fungere da flag per tale etichettatura. 

La vita sulla Terra è iniziata con la prima apparizione delle cellule circa 3.8 miliardi di anni fa. Ma paradossalmente, prima che esistessero le cellule, dovevano esserci raccolte di molecole che facevano cose sorprendentemente realistiche. Negli ultimi dieci anni, i ricercatori in Giappone hanno condotto esperimenti con molecole di RNA per scoprire se un singolo tipo di molecola replicante potesse evolversi in una moltitudine di replicatori diversi, come hanno teorizzato i ricercatori sull'origine della vita che deve essere accaduto in natura. Gli scienziati giapponesi hanno scoperto che questa diversificazione si è verificata, con varie molecole che coevolvono in ospiti e parassiti concorrenti che si alzano e si abbassano in posizione dominante. Lo scorso marzo, gli scienziati hanno segnalato un nuovo sviluppo: le diverse molecole avevano iniziato a lavorare insieme in un ecosistema più stabile. Il loro lavoro suggerisce che anche gli RNA e altre molecole nel mondo prebiotico potrebbero essersi coevoluti per gettare le basi della vita cellulare.

L'autoreplicazione è spesso considerata il primo passo essenziale in qualsiasi ipotesi sull'origine della vita, ma non deve esserlo. Quest'anno, Nick Lane e altri biologi evoluzionisti hanno continuato a trovare prove che prima che esistessero le cellule, sistemi di “proto-metabolismo” che coinvolgono serie complesse di reazioni energetiche potrebbero essersi verificate nei materiali porosi vicino alle prese d'aria idrotermali.

Come fa una singola cellula uovo fecondata a crescere in un corpo umano adulto con oltre 30 trilioni di cellule in più di 200 categorie specializzate? È il mistero per eccellenza dello sviluppo. Per gran parte del secolo scorso, la spiegazione predominante è stata che i gradienti chimici stabiliti in varie parti del corpo in via di sviluppo guidano le cellule dove sono necessarie e dicono loro come differenziarsi nei costituenti di pelle, muscoli, ossa, cervello e altri organi. 

Ma ora le sostanze chimiche sembrano essere solo una parte della risposta. Un lavoro recente suggerisce che mentre le cellule usano indizi di gradiente chimico per guidare la loro navigazione, seguono anche modelli di tensione fisica nei tessuti che li circondano, come funamboli che attraversano un cavo teso. La tensione fisica non si limita a dire alle cellule dove andare. Altri lavori riportati a maggio hanno dimostrato che anche le forze meccaniche all'interno di un embrione aiutano a indurre gruppi di cellule a farlo diventano strutture specifiche, come piume al posto della pelle.

Nel frattempo, i biologi sintetici - ricercatori che adottano un approccio ingegneristico allo studio della vita - hanno compiuto importanti progressi nella comprensione dei tipi di algoritmi genetici che controllano il modo in cui le cellule si differenziano in risposta a segnali chimici. Un team di Caltech ha dimostrato un rete artificiale di geni che potrebbe trasformare stabilmente le cellule staminali in una serie di tipi cellulari più specializzati. Non hanno identificato quale sia il sistema di controllo genetico naturale nelle cellule, ma il successo del loro modello dimostra che qualunque sia il sistema reale, probabilmente non ha bisogno di essere molto più complicato.

Il cervello è l'organo più assetato di energia del corpo, quindi forse non sorprende che l'evoluzione abbia ideato una strategia di emergenza per aiutare il cervello a far fronte a lunghi periodi di carenza di cibo. I ricercatori dell'Università di Edimburgo hanno scoperto che quando i topi devono sopravvivere con razioni ridotte per settimane intere, il loro cervello inizia a funzionare nell'equivalente di un modalità “a basso consumo”.. 

In questo stato, i neuroni nella corteccia visiva usano quasi il 30% in meno di energia nelle loro sinapsi. Da un punto di vista ingegneristico, è una buona soluzione per allungare le risorse energetiche del cervello, ma c'è un problema. In effetti, la modalità a basso consumo riduce la risoluzione della visione dell'animale rendendo i segnali di elaborazione del sistema visivo meno precisi. 

Una visione ingegneristica del cervello ha anche recentemente migliorato la nostra comprensione di un altro sistema sensoriale: il nostro senso dell'olfatto. I ricercatori hanno cercato di migliorare la capacità dei "nasi artificiali" computerizzati di riconoscere gli odori. Le strutture chimiche da sole fanno molto per definire gli odori che associamo a varie molecole. Ma il nuovo lavoro suggerisce che il processi metabolici che creano molecole in natura riflettono anche il nostro senso dell'odore delle molecole. Le reti neurali che includevano informazioni metaboliche nelle loro analisi si sono avvicinate significativamente alla classificazione degli odori come fanno gli umani.

Un cervello umano vivente è ancora una cosa incredibilmente difficile da studiare per i neuroscienziati: il cranio ostruisce la loro visione e considerazioni etiche escludono molti esperimenti potenzialmente informativi. Ecco perché i ricercatori hanno iniziato a coltivare tessuto cerebrale isolato in laboratorio e a lasciarlo formare "organoidi" con somiglianze fisiche ed elettriche con i cervelli reali. Quest'anno, il neuroscienziato Sergiu Paşca ei suoi colleghi hanno mostrato fino a che punto arrivano queste somiglianze impiantando organoidi del cervello umano nei ratti da laboratorio neonati. Le cellule umane si sono integrate nei circuiti neurali dell'animale e hanno assunto un ruolo nel suo senso dell'olfatto. Inoltre, i neuroni trapiantati sembravano più sani di quelli che crescono in organoidi isolati, il che suggerisce, come ha osservato Paşca un'intervista con Quanta, l'importanza di fornire ai neuroni input e output. Il lavoro indica la strada verso lo sviluppo di migliori modelli sperimentali per i cervelli umani in futuro.