Studiul șoarecelui transplantează neuroni pentru a reconstrui circuitele cerebrale

Transplanturile de neuroni au reparat circuitele cerebrale și funcția substanțial normalizată la șoarecii cu tulburări cerebrale, indicând faptul că zonele cheie ale creierului sunt mai reparabile decât se credea pe scară largă, potrivit noilor cercetări.

Colaboratori din patru instituții - Universitatea Harvard, Spitalul General Massachusetts, Centrul Medical Beth Israel Deaconess (BIDMC) și Școala Medicală Harvard (HMS) - au transplantat neuroni embrionari care funcționează normal într-un stadiu atent selectat al dezvoltării lor în hipotalamusul șoarecilor incapabili să răspundă la leptina, un hormon care reglează metabolismul și controlează greutatea corporală.

Acești șoareci mutanți devin de obicei morbi obezi, dar transplanturile de neuroni au reparat circuitele cerebrale defecte, permițându-le să răspundă la leptină și să câștige mult mai puțină greutate.

Reparația la nivelul celular al hipotalamusului - o regiune critică și complexă a creierului care reglează fenomene precum foamea, metabolismul, temperatura corpului și comportamentele de bază, cum ar fi sexul și agresivitatea - indică posibilitatea unor noi abordări terapeutice în condiții precum coloana vertebrală. leziuni ale cordonului, autism, epilepsie, SLA (boala Lou Gehrig), boala Parkinson și boala Huntington, au spus cercetătorii.

„Există doar două zone ale creierului despre care se știe că suferă în mod normal o înlocuire neuronală la scară largă la vârsta adultă la nivel celular - așa-numita„ neurogeneză ”sau nașterea de noi neuroni - bulbul olfactiv și subregiunea hipocampului numit girus dentat, cu dovezi emergente ale neurogenezei în curs de desfășurare la nivelul hipotalamusului ”, a declarat Jeffrey Macklis, MD, profesor la Universitatea Harvard de celule stem și biologie regenerativă.

Neuronii care sunt adăugați în timpul maturității în ambele regiuni sunt, în general, mici și se crede că acționează un pic ca controalele de volum asupra semnalizării specifice. Aici am recablurat un sistem de nivel înalt al circuitelor cerebrale care nu experimentează în mod natural neurogeneza, iar acest lucru a restabilit funcția substanțial normală ".

Ceilalți doi autori din lucrare sunt Jeffrey Flier, decanul Facultății de Medicină Harvard și Matthew Anderson, profesor HMS de patologie la Beth Israel.

În 2005, Flier a publicat un studiu care arată că un medicament experimental a stimulat adăugarea de noi neuroni în hipotalamus și a oferit un tratament potențial pentru obezitate.

Dar, în timp ce descoperirea a fost izbitoare, cercetătorii nu erau siguri dacă noile celule funcționau ca niște neuroni naturali.

Laboratorul lui Macklis a dezvoltat abordări pentru transplantarea neuronilor în curs de dezvoltare în circuitele cortexului cerebral al șoarecilor cu neurodegenerare sau leziune neuronală. Într-un studiu din 2000, cercetătorii au demonstrat inducerea neurogenezei în cortexul cerebral al șoarecilor adulți, unde nu apare în mod normal. În timp ce aceste experimente și experimentele ulterioare par să reconstruiască circuitele cerebrale din punct de vedere anatomic, nivelul funcției noilor neuroni a rămas incert.

Pentru a afla mai multe, Flier, un expert în biologia obezității, a făcut echipă cu Macklis, un expert în dezvoltarea și repararea sistemului nervos central și Anderson, un expert în circuite neuronale și modele de boli neurologice ale șoarecilor.

Cercetătorii au folosit un model de șoarece în care creierul nu are capacitatea de a răspunde la leptină. Flier și laboratorul său au studiat mult timp acest hormon, care este mediat de hipotalamus. Surzi la semnalizarea leptinei, acești șoareci devin periculos de supraponderali.

Cercetările anterioare au sugerat că patru clase principale de neuroni au permis creierului să proceseze semnalizarea leptinei. Cercetătorii au transplantat și au studiat dezvoltarea celulară și integrarea celulelor progenitoare și a neuronilor foarte imaturi de la embrioni normali în hipotalamusul șoarecilor mutanți, utilizând mai multe tipuri de analize celulare și moleculare.

Pentru a plasa celulele transplantate exact în regiunea potrivită a hipotalamusului, au folosit o tehnică numită microscopie cu ultrasunete de înaltă rezoluție, creând ceea ce Macklis a numit „hipotalamus himeric” - la fel ca animalele cu trăsături mixte din mitologia greacă.

Cercetătorii au efectuat apoi o analiză electrofiziologică aprofundată a neuronilor transplantați și a funcției acestora în circuitele destinatarului, profitând de neuronii care strălucesc în verde de la o proteină fluorescentă de meduză purtată ca marker.

Acești neuroni născuți au supraviețuit procesului de transplant și s-au dezvoltat structural, molecular și electrofiziologic în cele patru tipuri de neuroni centrali la semnalizarea leptinei. Noii neuroni s-au integrat funcțional în circuit, răspunzând la leptină, insulină și glucoză. Șoarecii tratați s-au maturizat și au cântărit cu aproximativ 30% mai puțin decât frații lor netratați sau frații tratați în mai multe moduri alternative.

Cercetătorii au investigat apoi măsura în care acești noi neuroni au devenit conectați la circuitele creierului folosind teste moleculare, microscopie electronică pentru vizualizarea detaliilor circuitelor și electrofiziologie cu patch-clamp, o tehnică în care cercetătorii folosesc electrozi mici pentru a investiga caracteristicile neuroni individuali și perechi de neuroni în detaliu. Deoarece noile celule au fost etichetate cu etichete fluorescente, cercetătorii le-ar putea localiza cu ușurință.

Cercetătorii au descoperit că neuronii recent dezvoltați au comunicat neuronilor destinatari prin contacte sinaptice normale și că creierul, la rândul său, a semnalizat înapoi. Răspunzând la leptină, insulină și glucoză, acești neuroni s-au alăturat efectiv rețelei creierului și au recablat circuitele deteriorate.

„Este interesant de observat că acești neuroni embrionari au fost conectați cu mai puțină precizie decât s-ar putea crede”, a spus Flier. „Dar asta nu părea să conteze. Într-un anumit sens, acești neuroni sunt ca niște antene care au fost capabili imediat să preia semnalul de leptină. Dintr-o perspectivă de echilibru energetic, mă frapează faptul că un număr relativ mic de neuroni genetic normali pot repara atât de eficient circuitele. ”

Descoperirea că aceste celule embrionare sunt atât de eficiente la integrarea cu circuitele neuronale native ne face destul de entuziasmați de posibilitatea aplicării unor tehnici similare altor boli neurologice și psihiatrice de interes special pentru laboratorul nostru, a spus Anderson.

Cercetătorii numesc descoperirile lor o dovadă a conceptului pentru ideea mai largă că noii neuroni se pot integra în mod specific pentru a modifica circuite complexe care sunt defecte într-un creier de mamifer.

Urmatorul pas pentru noi este de a pune intrebari paralele cu alte parti ale creierului si maduvei spinarii, cele implicate in SLA si cu leziuni ale maduvei spinarii, a spus Macklis. „În aceste cazuri, putem reconstrui circuitele din creierul mamiferelor? Bănuiesc că putem. ”

Noul studiu a fost publicat în jurnal Ştiinţă.

Sursa: Universitatea Harvard