Gli axolotl possono rigenerare i loro cervelli: queste adorabili salamandre stanno aiutando a svelare i misteri dell’evoluzione e della rigenerazione del cervello

Come lo fanno?

L’ axolotl ( Ambystoma mexicanum ) è una salamandra acquatica rinomata per la sua capacità di rigenerare il midollo spinale, il cuore e gli arti . Questi anfibi creano anche nuovi neuroni per tutta la vita. Nel 1964, i ricercatori hanno osservato che gli axolotl adulti potevano rigenerare parti del loro cervello , anche se una vasta sezione veniva completamente rimossa. Ma uno studio ha scoperto che la rigenerazione cerebrale di axolotl ha una capacità limitata di ricostruire la struttura dei tessuti originali.

Quindi, in che modo gli axolotl possono rigenerare perfettamente i loro cervelli dopo un infortunio?

In qualità di ricercatore che studia la rigenerazione a livello cellulare , io e i miei colleghi del Treutlein Lab dell’ETH di Zurigo e del Tanaka Lab dell’Istituto di patologia molecolare di Vienna ci siamo chiesti se gli axolotl siano in grado di rigenerare tutti i diversi tipi cellulari nel loro cervello, compresi le connessioni che collegano una regione del cervello all’altra. Nel nostro studio pubblicato di recente , abbiamo creato un atlante delle cellule che costituiscono una parte del cervello di axolotl, facendo luce sia sul modo in cui si rigenera che sull’evoluzione del cervello tra le specie.

Perché guardare le cellule?

Diversi tipi di cellule hanno funzioni diverse. Sono in grado di specializzarsi in determinati ruoli perché ognuno esprime geni diversi. Capire quali tipi di cellule ci sono nel cervello e cosa fanno aiuta a chiarire il quadro generale di come funziona il cervello. Consente inoltre ai ricercatori di fare confronti attraverso l’evoluzione e provare a trovare tendenze biologiche tra le specie.

Un modo per capire quali cellule stanno esprimendo quali geni consiste nell’usare una tecnica chiamata sequenziamento dell’RNA unicellulare (scRNA-seq) . Questo strumento consente ai ricercatori di contare il numero di geni attivi all’interno di ciascuna cellula di un particolare campione. Ciò fornisce un'”istantanea” delle attività che ciascuna cellula stava svolgendo quando è stata raccolta.Il sequenziamento dell’RNA a cellula singola può fornire informazioni sulla funzione specifica di ciascuna cellula in un campione.

Il sequenziamento dell’RNA a cellula singola può fornire informazioni sulla funzione specifica di ciascuna cellula in un campione.

Questo strumento è stato determinante per comprendere i tipi di cellule che esistono nel cervello degli animali. Gli scienziati hanno utilizzato scRNA-seq in pesci , rettili , topi e persino umani . Ma un pezzo importante del puzzle dell’evoluzione del cervello è scomparso: gli anfibi.

Mappatura del cervello di axolotl

Il nostro team ha deciso di concentrarsi sul telencefalo dell’axolotl. Negli esseri umani, il telencefalo è la più grande divisione del cervello e contiene una regione chiamata neocorteccia , che svolge un ruolo chiave nel comportamento e nella cognizione degli animali. Nel corso della recente evoluzione, la neocorteccia è cresciuta enormemente di dimensioni rispetto ad altre regioni del cervello. Allo stesso modo, i tipi di cellule che compongono il telencefalo in generale si sono molto diversificati e sono cresciuti in complessità nel tempo, rendendo questa regione un’area intrigante da studiare.

Abbiamo usato scRNA-seq per identificare i diversi tipi di cellule che compongono il telencefalo axolotl, inclusi diversi tipi di neuroni e cellule progenitrici , o cellule che possono dividersi in più di se stesse o trasformarsi in altri tipi cellulari. Abbiamo identificato quali geni sono attivi quando le cellule progenitrici diventano neuroni e abbiamo scoperto che molti passano attraverso un tipo di cellula intermedio chiamato neuroblasti – precedentemente sconosciuto per esistere negli axolotl – prima di diventare neuroni maturi.

Mettiamo quindi alla prova la rigenerazione dell’axolotl rimuovendo una sezione del loro telencefalo. Utilizzando un metodo specializzato di scRNA-seq , siamo stati in grado di catturare e sequenziare tutte le nuove cellule in diversi stadi di rigenerazione, da una a 12 settimane dopo l’infortunio. Alla fine, abbiamo scoperto che tutti i tipi di cellule rimossi erano stati completamente ripristinati.

Abbiamo osservato che la rigenerazione del cervello avviene in tre fasi principali. La prima fase inizia con un rapido aumento del numero di cellule progenitrici e una piccola frazione di queste cellule attiva un processo di guarigione delle ferite. Nella fase due, le cellule progenitrici iniziano a differenziarsi in neuroblasti. Infine, nella fase tre, i neuroblasti si differenziano negli stessi tipi di neuroni originariamente persi.

Sorprendentemente, abbiamo anche osservato che le connessioni neuronali interrotte tra l’area rimossa e altre aree del cervello erano state ricollegate. Questo ricablaggio indica che anche l’area rigenerata ha riacquistato la sua funzione originaria.

Anfibi e cervelli umani

L’aggiunta di anfibi al puzzle evolutivo consente ai ricercatori di dedurre come il cervello e i suoi tipi cellulari siano cambiati nel tempo, nonché i meccanismi alla base della rigenerazione.

Quando abbiamo confrontato i nostri dati sull’axolotl con altre specie, abbiamo scoperto che le cellule nel loro telencefalo mostrano una forte somiglianza con l’ ippocampo dei mammiferi , la regione del cervello coinvolta nella formazione della memoria, e la corteccia olfattiva , la regione del cervello coinvolta nel senso di odore. Abbiamo anche trovato alcune somiglianze in un tipo di cellula axolotl con la neocorteccia, l’area del cervello nota per la percezione, il pensiero e il ragionamento spaziale negli esseri umani. Queste somiglianze indicano che queste aree del cervello possono essere evolutivamente conservate, o rimanere comparabili nel corso dell’evoluzione, e che la neocorteccia dei mammiferi può avere un tipo di cellula antenata nel telencefalo degli anfibi.

Sebbene il nostro studio faccia luce sul processo di rigenerazione del cervello, inclusi quali geni sono coinvolti e come le cellule alla fine diventino neuroni, non sappiamo ancora quali segnali esterni avviino questo processo. Inoltre, non sappiamo se i processi che abbiamo identificato siano ancora accessibili agli animali che si sono evoluti nel tempo, come i topi o gli esseri umani.

Ma non stiamo risolvendo il puzzle dell’evoluzione del cervello da soli. Il Tosches Lab presso la Columbia University ha esplorato la diversità dei tipi cellulari in un’altra specie di salamandra, Pleurodeles waltl , mentre il laboratorio Fei presso l’Accademia di scienze mediche del Guangdong in Cina e i collaboratori della società di scienze biologiche BGI hanno esplorato come i tipi cellulari sono disposti spazialmente nel axolotl proencefalo .

L’identificazione di tutti i tipi di cellule nel cervello dell’axolotl aiuta anche a spianare la strada alla ricerca innovativa nella medicina rigenerativa. Il cervello di topi e umani ha in gran parte perso la capacità di ripararsi o rigenerarsi. Gli interventi medici per gravi lesioni cerebrali si concentrano attualmente su terapie farmacologiche e con cellule staminali per potenziare o promuovere la riparazione. L’esame dei geni e dei tipi cellulari che consentono agli axolotl di ottenere una rigenerazione quasi perfetta può essere la chiave per migliorare i trattamenti per lesioni gravi e sbloccare il potenziale di rigenerazione negli esseri umani.

Ashley Maynard , dottoranda in Biologia quantitativa dello sviluppo, Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Zurigo

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con licenza Creative Commons. Leggi l’ articolo originale .

Ashley Maynard

Foto anteprima di LaDameBucolique da Pixabay

Fonte:  www.iflscience.com

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