Neural stem cells generate neurons in vitro which mimic their in vivo molecular identity and axon/dendrite morphology
Questo articolo introduce un protocollo di coltura a goccia pendente che consente la crescita a lungo termine di neuroni derivati da neuroblasti di Drosophila in vitro, dimostrando che questi neuroni coltivati riproducono fedelmente la loro identità molecolare, i tassi di proliferazione e la morfologia di assoni/dendriti in vivo, fornendo così un modello robusto per studiare i segnali che governano lo sviluppo neuronale.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Il cervello è una vasta rete di cellule specializzate chiamate neuroni, ognuna con una forma unica e un compito specifico. Alcuni neuroni sembrano stelle con molte ramificazioni, mentre altri sono lunghi e sottili, raggiungendo parti del corpo per inviare segnali. Gli scienziati si chiedono da tempo come queste cellule sappiano che forma assumere. È perché di istruzioni scritte all'interno della cella stessa, come un progetto genetico? O perché di segnali provenienti dal mondo esterno, come un insegnante che guida uno studente? Per trovare la risposta, i ricercatori di solito studiano i neuroni all'interno di animali vivi, dove è difficile distinguere quale fattore stia compiendo l'opera. Studiano anche i neuroni in piastre di vetro, ma la maggior parte di questi esperimenti inizia con cellule che sono già cresciute e hanno già formato connessioni, rendendo difficile vedere come decidano inizialmente di diventare un tipo specifico di cellula.
Un team di ricercatori dell'Università dell'Oregon ha sviluppato un nuovo modo per osservare questo processo dall'inizio. Hanno utilizzato moscerini della frutta, un modello comune per lo studio della biologia, per far crescere i neuroni in una piastra partendo da cellule staminali, che sono le materie prime che alla fine diventano neuroni. Rimuovendo queste cellule staminali dall'embrione prima che avessero qualsiasi contatto con il mondo esterno, gli scienziati hanno creato una situazione in cui le cellule dovevano fare affidamento esclusivamente sulle proprie istruzioni interne per crescere. I ricercatori hanno scoperto che, anche senza i consueti stimoli ambientali, queste cellule staminali si sono trasformate con successo in neuroni maturi. Queste nuove cellule non solo hanno sviluppato il numero corretto di ramificazioni, ma hanno anche sviluppato la stessa identità molecolare e hanno mantenuto aspetti chiave delle forme fisiche che avrebbero avuto se fossero rimaste all'interno del moscerino vivente. Ciò suggerisce che le istruzioni per costruire un tipo specifico di neurone siano contenute ampiamente all'interno della cellula stessa, in attesa di essere attivate, sebbene la forma risultante non sia una replica perfetta di quella trovata in natura.
Gli scienziati hanno iniziato il loro lavoro raccogliendo embrioni di moscerino della frutta in un momento molto specifico del loro sviluppo, proprio mentre le cellule staminali stavano iniziando a dividersi. Hanno rimosso con cura il guscio esterno degli embrioni e li hanno scomposti in singole cellule utilizzando un delicato processo chimico. Queste cellule sono state poi collocate in un mezzo liquido speciale all'interno di una goccia sospesa, un sistema che mantiene le cellule sospese e sane. I ricercatori hanno osservato queste cellule nel corso di dodici ore, un periodo che corrisponde al tempo necessario affinché queste cellule maturino all'interno del moscerino. Hanno visto che le cellule staminali si dividevano e si trasformavano in neuroni alla stessa velocità con cui lo fanno all'interno del corpo. Entro un'ora, le cellule iniziarono a produrre piccole estensioni e, entro dodici ore, queste estensioni erano cresciute in filamenti lunghi e sottili, imitando la crescita naturale dei neuroni in un organismo vivente.
Per assicurarsi di studiare i tipi di cellule corretti, il team ha utilizzato un trucco genetico per illuminare gruppi specifici di neuroni con un bagliore verde. Si sono concentrati su una particolare famiglia di neuroni che solitamente si forma secondo un modello specifico all'interno del moscerino. Quando hanno contato le cellule luminose nella loro piastra, hanno scoperto che il numero di questi neuroni specifici corrispondeva al numero trovato nei moscerini vivi. Questo è stato un passaggio cruciale, che ha dimostrato che la piastra non stava solo facendo crescere cellule casuali, ma stava ricreando fedelmente il mix di tipi cellulari presenti in natura. I ricercatori hanno anche controllato se le cellule stessero smistando correttamente le loro parti interne. I neuroni hanno due tipi principali di rami: gli assoni, che inviano segnali, e i dendriti, che li ricevono. Il team ha scoperto che le cellule nella piastra posizionavano correttamente il loro carico interno, inviando i materiali giusti agli assoni e i materiali giusti ai dendriti, proprio come avviene in un animale vivente.
Forse la scoperta più sorprendente riguardava un gruppo di motoneuroni che controllano il movimento muscolare. In un moscerino vivo, questi neuroni presentano due forme distinte: alcuni hanno due rami principali, mentre altri ne hanno solo uno. I ricercatori hanno osservato i motoneuroni che crescevano nella loro piastra e hanno scoperto che mantenevano queste stesse forme. Le cellule destinate ad avere due rami ne sviluppavano due, e quelle destinate ad avere un solo ramo ne sviluppavano solo uno. Inoltre, queste cellule trasportavano i marcatori molecolari corretti, ovvero i tag chimici che le identificano come tipi specifici di neuroni. Ciò accadeva nonostante le cellule non fossero mai state esposte al complesso ambiente del corpo del moscerino. I risultati indicano che il progetto per l'identità e la forma di un neurone è incorporato nella cellula fin dall'inizio, e non ha bisogno del mondo esterno per dirgli cosa diventare, sebbene la morfologia finale non sia una copia perfetta della forma in vivo.
Questo lavoro offre uno strumento potente ai ricercatori per studiare come viene costruito il cervello. Coltivando i neuroni in una piastra dove il mondo esterno è rimosso, gli scienziati possono ora isolare le istruzioni interne che guidano lo sviluppo. Lo studio dimostra che, sebbene l'ambiente sia importante per molte cose, il piano fondamentale per l'identità e la struttura di un neurone proviene dall'interno. Questa scoperta aiuta a chiarire una domanda di lunga data nelle neuroscienze: come fanno le cellule a sapere chi sono? La risposta sembra essere che esse portano con sé la propria mappa, pronta per essere seguita nel momento stesso in cui nascono.
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