Viaggio nel Cervello del Primate: Segreti Cellulari e Misteri dell’Invecchiamento Svelati

Ragazzi, il cervello è una macchina pazzesca, vero? Un labirinto incredibilmente complesso di cellule e connessioni che orchestra tutto ciò che facciamo, pensiamo e sentiamo. Capire come funziona, come cambiano le sue diverse aree e come l’invecchiamento influenzi questa meraviglia è una delle sfide più affascinanti della scienza. Soprattutto, studiare i nostri cugini primati non umani (NHP), come i macachi rhesus, è fondamentale: sono così simili a noi geneticamente e fisiologicamente che ci offrono una finestra unica sull’evoluzione della nostra stessa cognizione e sulle malattie che colpiscono il nostro cervello, come l’Alzheimer o il Parkinson.

Il problema è che, fino ad ora, ottenere una mappa dettagliata a livello cellulare di molte regioni cerebrali diverse nei primati, specialmente considerando l’invecchiamento, era un’impresa quasi impossibile. Raccogliere campioni freschi è complicato, e le cellule cerebrali sono delicate e difficili da isolare. Ma la tecnologia non si ferma mai!

Mappare il Cervello: Nasce l’Atlante Cellulare del Macaco

Ecco perché ci siamo tuffati in un’avventura scientifica incredibile: abbiamo utilizzato una tecnica chiamata single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq). Pensatela come un modo per “leggere” quali geni sono attivi in ogni singola cellula, ma lavorando sui nuclei cellulari, che sono più facili da ottenere da tessuto congelato. Questo ci ha permesso di analizzare ben 39 campioni prelevati da 10 diverse regioni cerebrali di quattro macachi rhesus: due giovani (6 anni) e due anziani (17 e 24 anni). Le regioni includevano aree cruciali come l’amigdala (AMY), l’ippocampo (HIP), la corteccia prefrontale dorsolaterale (DLPFC) e persino il cervelletto (CBC).

Il risultato? Abbiamo costruito un atlante cellulare su larga scala del cervello del macaco, contenente i profili di oltre 330.000 singole cellule! È come avere una “Google Maps” incredibilmente dettagliata della composizione cellulare del cervello di questi primati. Analizzando questa marea di dati, abbiamo potuto identificare i diversi tipi di cellule presenti in ogni regione.

Zoom sui Quartieri: Tipi e Sottotipi di Cellule Cerebrali

Abbiamo trovato tutti i “residenti” principali del cervello:

• Neuroni eccitatori (ExN): quelli che tendono a “eccitare” l’attività cerebrale.
• Neuroni inibitori (InN): quelli che tendono a “calmare” l’attività.
• Astrociti (Astro): cellule a forma di stella che supportano i neuroni.
• Microglia (Micro): le cellule immunitarie del cervello.
• Oligodendrociti (Oligo) e i loro precursori (OPC, cOPC): responsabili della mielina, la guaina isolante dei neuroni.
• E molte altre cellule specializzate, come le cellule granulari del cervelletto (CGC), i neuroni spinosi di proiezione (SPN) del putamen, e cellule vascolari come quelle endoteliali (Endo).

Ma non ci siamo fermati qui. Zoomando ancora di più, abbiamo scoperto ben 88 sottotipi cellulari, ognuno con la sua “firma” genetica unica! Ad esempio, abbiamo distinto diversi strati di neuroni eccitatori nella corteccia o identificato sottotipi specifici di microglia.

Abbiamo anche identificato e validato (con tecniche di colorazione specifiche chiamate immunofluorescenza e immunoistochimica) l’espressione di geni specifici per certi tipi cellulari, alcuni già noti, altri meno conosciuti nei primati. Ad esempio, abbiamo confermato che SV2B è un buon marcatore per i neuroni eccitatori, mentre PPP3CA è espresso sia nei neuroni eccitatori che negli SPN (e le sue varianti sono legate all’epilessia!). Abbiamo anche visto che CD22, che nel topo è espresso dalla microglia, nei primati (come nell’uomo) è un marcatore degli oligodendrociti, suggerendo differenze evolutive importanti. Queste scoperte arricchiscono la nostra “cassetta degli attrezzi” per identificare e studiare le cellule cerebrali.

Il Gossip del Cervello: Come Comunicano le Cellule

Ma le cellule non vivono isolate, parlano tra loro! Usando un altro strumento computazionale chiamato CellChat, abbiamo analizzato le “conversazioni” molecolari tra i diversi tipi di cellule. Abbiamo identificato 114 coppie significative di ligando-recettore (le molecole che le cellule usano per comunicare) coinvolte in 46 vie di segnalazione. Le chiacchiere più intense avvenivano tra i vari tipi di neuroni.

Abbiamo raggruppato queste vie di comunicazione in quattro gruppi principali:

1. Vie dominate da segnali immunitari e vascolari (specialmente da/verso microglia, astrociti e cellule endoteliali).
2. Vie coinvolte nello sviluppo del sistema nervoso, con segnali provenienti sia da neuroni che da altre cellule.
3. Vie legate all’adesione cellulare e alla formazione delle sinapsi, con segnali prevalentemente neuronali.
4. Vie mediate da integrine (importanti per l’adesione e la guarigione), dirette principalmente verso astrociti e cellule muscolari lisce dei vasi.

Capire queste reti di comunicazione è fondamentale per comprendere come il cervello mantenga le sue funzioni normali.

Specializzazioni Regionali: Ogni Area ha la sua Firma

Una delle cose più affascinanti è come diverse regioni del cervello si specializzino. Il nostro atlante ci ha permesso di esplorare queste differenze a livello cellulare e molecolare. Abbiamo notato, ad esempio, che le regioni corticali (come la DLPFC o la V4) hanno una proporzione leggermente maggiore di neuroni rispetto ai nuclei sottocorticali (come il talamo TH o il putamen PU), dove invece abbondano le cellule gliali (supporto e immunità). Questo ha senso, pensando all’espansione della corteccia nei primati e al ruolo della glia nelle malattie neurodegenerative che spesso colpiscono le aree sottocorticali.

Abbiamo anche scoperto che più due regioni cerebrali sono fisicamente distanti, più i loro profili di espressione genica tendono ad essere diversi. È interessante notare che le cellule del cervelletto (CBC) sembrano comunicare molto attivamente anche con regioni lontane, mentre le interazioni tra altre cellule tendono a diminuire con la distanza.

Ma la vera chicca sono i geni specifici per regione (RSG) e i sottotipi cellulari specifici per regione (RSS). Abbiamo identificato oltre 1500 geni che sono espressi in modo significativamente più alto in una particolare regione rispetto alle altre nove. Regioni come il talamo (TH), il cervelletto (CBC), l’amigdala (AMY) e il putamen (PU) ne avevano tantissimi. Molti di questi geni erano sovraespressi in modo coordinato in diversi tipi cellulari all’interno della stessa regione, quasi a creare una “firma” molecolare regionale. Ad esempio, nel talamo, geni come NTS, RGS16 e TCF7L2 erano alti in diversi sottotipi cellulari locali. Nel putamen, spiccavano ADCY5, CA12 e PDE10A. Nel cervelletto, TIAM1 era uno dei protagonisti. Abbiamo validato l’espressione proteica di molti di questi RSG, confermando la loro specificità regionale. Questi geni sono spesso legati a funzioni specifiche di quelle aree (es. PDE10A nel putamen è legato alla neurotrasmissione dopaminergica e a malattie come il Parkinson; NTS nel talamo è coinvolto nella regolazione del sonno). Questo suggerisce che queste firme molecolari regionali siano cruciali per la specializzazione funzionale del cervello.

Il Cervello che Invecchia: Cambiamenti a Livello Cellulare

E poi arriva l’invecchiamento… cosa cambia in questo intricato panorama cellulare? Abbiamo confrontato i nostri macachi giovani con quelli anziani (ricordiamo, principalmente femmine nel gruppo anziano, quindi i risultati riflettono soprattutto l’invecchiamento femminile) e abbiamo trovato cambiamenti notevoli.

Innanzitutto, le differenze di espressione genica tra le regioni tendevano a diminuire con l’età, come se il cervello perdesse un po’ della sua specializzazione regionale. Inoltre, abbiamo osservato un aumento del “rumore” trascrizionale, cioè una maggiore instabilità nell’espressione genica nelle cellule anziane. Anche la comunicazione tra cellule cambiava: la forza complessiva delle interazioni sembrava aumentare, ma con pattern specifici alterati, specialmente per le connessioni da e verso il cervelletto.

Abbiamo notato anche cambiamenti nella composizione cellulare: nei macachi anziani c’era un aumento relativo delle cellule granulari del cervelletto (CGC) e dei neuroni eccitatori dell’amigdala (AMY-ExN), mentre diminuivano i neuroni inibitori (InN) e le cellule della linea oligodendrocitica (cOPC e Oligo). Questo potrebbe avere implicazioni funzionali importanti, come una ridotta plasticità (legata ai neuroni inibitori) o disfunzioni immunitarie (legate alla glia).

A livello molecolare, abbiamo identificato quasi 2700 geni la cui espressione cambiava significativamente con l’età (circa metà in calo, metà in aumento). I geni che diminuivano erano spesso legati al metabolismo energetico, all’apoptosi (morte cellulare programmata) e all’immunità. Quelli che aumentavano erano più coinvolti nella trasduzione del segnale, nello sviluppo delle sinapsi e dei dendriti, e in processi legati a cognizione e comportamento. Abbiamo validato a livello proteico alcuni di questi cambiamenti: ad esempio, ATP5MG e ATP5MPL (coinvolti nella produzione di energia) diminuivano in alcune regioni, così come VSNL1 e HPCAL4 (sensori del calcio neuronali) nella circonvoluzione cingolata (CG). Al contrario, CACNA1A (un canale del calcio) aumentava nel cervelletto.

Per capire meglio il ruolo di questi geni, abbiamo fatto un esperimento: abbiamo “spento” (con una tecnica chiamata shRNA knockdown) i geni VSNL1 e HPCAL4 in cellule di glioma umano (U251) in coltura. Il risultato? Le cellule hanno mostrato chiari segni di senescenza (invecchiamento cellulare): proliferavano meno, diventavano più grandi ed esprimevano marcatori tipici della senescenza. Questo suggerisce che la diminuzione di questi geni osservata nei macachi anziani potrebbe contribuire attivamente al processo di invecchiamento cerebrale. Infine, un’analisi chiamata “pseudotime” ha mostrato che molte cellule sembrano seguire una traiettoria graduale verso uno stato “invecchiato”.

Dal Macaco all’Uomo: Implicazioni per Salute e Malattie

Ma tutto questo cosa c’entra con noi umani? Abbiamo usato un’altra analisi statistica (LDSC) per vedere se i geni caratteristici di certi tipi cellulari, regioni o legati all’invecchiamento nel macaco fossero associati a tratti complessi e malattie umane. I risultati sono stati illuminanti!

• I tratti neurologici (come preoccupazione, durata del sonno, intelligenza, schizofrenia, insonnia, nevroticismo) erano fortemente arricchiti nei geni specifici dei neuroni (sia eccitatori che inibitori). La schizofrenia mostrava un legame anche con gli astrociti.
• Le malattie immunitarie (come l’artrite reumatoide) erano arricchite nei geni specifici della microglia.
• L’ADHD (disturbo da deficit di attenzione/iperattività) mostrava un’associazione con i neuroni eccitatori della regione V4 (corteccia visiva) e con la microglia.
• I livelli di colesterolo HDL (“buono”) erano legati ai geni degli astrociti.
• È importante notare che i geni la cui espressione cambiava con l’invecchiamento erano anch’essi significativamente associati a tratti neurologici, specialmente quelli attivi in regioni come DLPFC, CG e V4. Questo suggerisce che l’alterazione dell’espressione genica durante l’invecchiamento giochi un ruolo nello sviluppo di malattie mentali e neurologiche.

In generale, i marcatori cellulari e i geni legati all’invecchiamento sembrano avere un legame più forte con le malattie umane rispetto ai geni specifici di una regione cerebrale.

Conclusioni: Una Mappa per il Futuro

Insomma, questo viaggio nel cervello del macaco ci ha regalato una miniera d’oro di informazioni. Abbiamo creato una mappa cellulare senza precedenti che ci aiuta a capire l’organizzazione molecolare e cellulare del cervello dei primati, come le diverse regioni interagiscono e come tutto questo cambia con l’invecchiamento (specialmente femminile, data la composizione del nostro campione).

Abbiamo identificato nuovi marcatori, svelato complesse reti di comunicazione e individuato firme molecolari specifiche per regione e per età. Abbiamo visto come l’invecchiamento porti a una perdita di specificità regionale, a un aumento del “rumore” e ad alterazioni profonde a livello cellulare e molecolare, con possibili implicazioni dirette sulla senescenza cellulare. Infine, abbiamo collegato queste scoperte a tratti e malattie umane, aprendo nuove strade per capire patologie come l’ADHD, la schizofrenia e le malattie neurodegenerative legate all’età.

Questo atlante è una risorsa preziosissima per la comunità scientifica, uno strumento per esplorare più a fondo i meccanismi della funzione cerebrale, dell’invecchiamento e delle malattie neurologiche. Certo, c’è ancora tanto da scoprire, ma ora abbiamo una mappa molto più dettagliata per guidarci in questo affascinante labirinto.

Fonte: Springer