Comprendere i processi attraverso i quali si formano, all’interno del cervello, le varie regioni cognitive è una sfida fondamentale nelle neuroscienze: il tema è al centro di uno studio condotto dall’Istituto di biofisica del Consiglio nazionale delle ricerche di Pisa e dalla Scuola Normale Superiore con il supporto del Center for Human Technologies dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova: sono stati indagati i meccanismi molecolari e cellulari che portano alla formazione delle onde di attività delle delle distinte aree cognitive dell’encefalo durante lo sviluppo embrionale.
La ricerca, pubblicata su “Stem Cell Reports” si è concentrata sul “pallio”, la parte più esterna del cervello in via di sviluppo: è qui che hanno origine strutture cruciali per l’apprendimento e la formazione della memoria come la corteccia cerebrale, l’ippocampo e la corteccia entorinale. Il team, guidato da Federico Cremisi della Scuola Normale Superiore e Angelo Di Garbo del Cnr-Ibf, ha utilizzato un approccio innovativo per studiare le varie “vie di segnalazione cellulare”, cioè le modalità con cui le cellule comunicano tra loro e stabiliscono la formazione delle diverse subregioni del pallio: si tratta di processi che avvengono nelle primissime fasi dello sviluppo cerebrale.
Agendo su cellule staminali embrionali, i ricercatori hanno manipolato la segnalazione biochimica intracellulare e inibito, in particolare, due importanti vie di segnalazione con un nuovo protocollo sperimentale denominato MiBi. Quindi, su tali cellule sono state eseguite approfondite analisi di espressione genica dal gruppo di Luca Pandolfini dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, per verificare quali geni erano “attivati” o “spenti”. L’analisi ha permesso di verificare che i neuroni prodotti con questo trattamento sono tipici della corteccia entorinale, una regione cerebrale fondamentale nella formazione della memoria e mai riprodotta finora utilizzando colture cellulari. “I risultati delle analisi hanno evidenziato che, a questo stadio, le cellule cerebrali mostrano modelli di connettività unici”, spiega Federico Cremisi. “In coltura, infatti, le cellule entorinali hanno formato connessioni con i neuroni della regione dell’ippocampo distinte rispetto a quelle formate con i neuroni dalla corteccia cerebrale. Non solo: a contatto con i neuroni entorinali i neuroni ippocampali hanno generato spontaneamente attività elettrica sincronizzata, che ricorda le onde cerebrali osservate durante alcuni processi cognitivi”.
Lo studio ha, quindi, confermato che la segnalazione intra-cellulare embrionale svolge un ruolo fondamentale prima per la formazione delle connessioni fra cellule nervose e poi per lo sviluppo delle onde cerebrali delle diverse regioni del pallio: la corteccia cerebrale, l’ippocampo e la corteccia entrorinale. La sperimentazione in vitro ha permesso di capire che proprio i cambiamenti nelle vie di segnalazione intra-cellulare determinano il tipo di onde delle diverse aree anche in assenza di ulteriori influenze esterne durante il successivo sviluppo del cervello.
“Le conseguenze funzionali sono che questi segnali precoci non solo determinano l’identità delle cellule, ma influenzano anche la formazione di specifiche connessioni tra i neuroni e la generazione di attività elettrica sincronizzata, caratteristiche fondamentali per il corretto funzionamento del cervello”, conclude Di Garbo.
L’autore principale dello studio è Fabrizio Tonelli, all’epoca dello studio dottorando presso il Laboratorio di Biologia della Scuola Normale Superiore di Pisa. Allo studio hanno contribuito anche Ludovico Iannello e Stefano Gustincich.
