La mappa del DNA svela nuove intuizioni sullo sviluppo del cervello: la malattia mentale potrebbe avere origine nel periodo fetale

Tuchong creativo

Il cervello umano è uno degli organi più complessi del corpo umano, responsabile dell'elaborazione e del coordinamento di tutti i nostri pensieri, sentimenti, comportamenti e funzioni corporee. La sua crescita e il suo sviluppo sono strettamente correlati alla nostra salute fisica e mentale. Di recente, gli scienziati hanno scoperto che alcune malattie mentali potrebbero essere collegate allo sviluppo del cervello durante il periodo embrionale.

Lo sviluppo del cervello fetale è un "grande progetto". Ogni secondo nel cervello fetale compaiono più di 4.000 cellule nervose e in un centimetro quadrato si formano 30.000 connessioni sinaptiche al secondo. Questa velocità è al di là della portata delle attuali comunicazioni Internet. Il cervello umano adulto contiene centinaia di tipi di cellule, che presentano una notevole diversità di caratteristiche molecolari, morfologiche, anatomiche e funzionali. Sebbene la maggior parte dei neuroni corticali venga generata all'inizio e a metà della gestazione, tra la fine della gestazione e la pubertà emergono distinte firme molecolari dei diversi tipi di cellule. Le analisi del trascrittoma a livello di singola cellula e di massa hanno rivelato un marcato rimodellamento dell'espressione genica durante la tarda gestazione e lo sviluppo postnatale precoce.

Lo sviluppo precoce del cervello influisce sulla salute fisica e mentale? Uno studio pubblicato nel 2021 su Molecular Psychiatry, una delle riviste più prestigiose nel campo della psichiatria, ha dato una risposta positiva. Una ricerca condotta dai ricercatori del Weill Cornell Medical College negli Stati Uniti dimostra che i molteplici cambiamenti nelle cellule cerebrali durante il primo mese di sviluppo embrionale potrebbero portare alla schizofrenia in futuro. Questo studio colma un'importante lacuna nella nostra comprensione della schizofrenia e apre nuove prospettive di pensiero. Poiché abbiamo sempre creduto che la schizofrenia sia più comune nelle persone di mezza età e negli anziani, questo studio suggerisce che è probabile che questa malattia si manifesti nelle prime fasi della crescita e dello sviluppo della vita.

Di recente, le prime mappe delle modifiche del DNA nell'ippocampo e nella corteccia prefrontale hanno fornito ulteriori prove. Il 9 ottobre è stato pubblicato sulla rivista Nature uno studio correlato, condotto dall'Università della California di Los Angeles. Lo studio ha rivelato l'evoluzione della regolazione genica durante lo sviluppo del cervello umano e ha dimostrato il ruolo chiave svolto dalla struttura tridimensionale della cromatina. I ricercatori hanno creato la prima mappa in assoluto delle modifiche del DNA nell'ippocampo e nella corteccia prefrontale, fornendo nuove informazioni su come lo sviluppo precoce del cervello influisce sulla salute fisica e mentale.

La corteccia prefrontale e l'ippocampo influenzano il nostro stato mentale e psicologico e iniziano a svilupparsi già nel periodo embrionale. La corteccia prefrontale svolge la funzione di amministratore delegato e comandante del cervello. Ha il compito di assistere le varie parti del centro nervoso nel completamento delle attività organizzative, direttive e creative. Svolge un ruolo importante nella memoria, nel giudizio, nell'analisi, nel pensiero, nel funzionamento, ecc. L'ippocampo è l'esperto della cache e della navigazione spaziale nel nostro cervello. Non è solo responsabile della conversione della memoria a breve termine in memoria a lungo termine, ma partecipa anche alla formazione della memoria spaziale ed è strettamente collegata alla memoria emotiva. L'ippocampo e la corteccia prefrontale svolgono ruoli importanti nell'apprendimento, nella memoria e nella regolazione delle emozioni e sono anche strettamente correlati a malattie come l'autismo e la schizofrenia.

Per mappare il "progetto" del DNA della corteccia prefrontale e dell'ippocampo, i ricercatori hanno utilizzato un approccio di sequenziamento all'avanguardia, il sequenziamento della metilazione a singolo nucleo e la tecnologia di cattura della conformazione della cromatina. La tecnica consente l'analisi simultanea di due meccanismi epigenetici che controllano l'espressione genica nelle singole cellule. La chiave per comprendere le cause delle malattie neuropsichiatriche sta nel capire come queste agiscono sui geni che influenzano lo sviluppo. I ricercatori hanno analizzato più di 53.000 cellule cerebrali fornite da donatori dalla metà della gravidanza fino all'età adulta, evidenziando importanti cambiamenti nella regolazione genetica durante una finestra critica dello sviluppo, tracciando un quadro completo della massiccia riorganizzazione genetica che si verifica in momenti chiave nello sviluppo del cervello umano.

Secondo i ricercatori, il periodo più attivo nello sviluppo del cervello di un bambino si verifica intorno al secondo trimestre. Le cellule staminali neurali chiamate glia radiale generano miliardi di neuroni durante il primo e il secondo trimestre. A questo punto smettono di produrre neuroni e iniziano a produrre cellule gliali, che sostengono e proteggono i neuroni. Allo stesso tempo, i neuroni appena formati maturano gradualmente, acquisiscono le caratteristiche necessarie per svolgere funzioni specifiche e formano connessioni sinaptiche per comunicare.

I disturbi neuropsichiatrici, compresi quelli che si manifestano in età adulta, spesso derivano da fattori genetici che interferiscono con lo sviluppo precoce del cervello. La mappa fornisce una linea di base che può essere confrontata con gli studi genetici sui cervelli colpiti da malattie e individua quando e dove si verificano cambiamenti molecolari. Ora che i ricercatori hanno identificato le connessioni tra diversi tipi di cellule, questa scoperta potrebbe aiutare a identificare fattori di rischio genetici significativi nelle malattie neuropsichiatriche e dello sviluppo neurologico e ha importanti implicazioni per il miglioramento dei modelli basati sulle cellule staminali, come gli organoidi cerebrali.

Far crescere un cervello umano sano è un'impresa monumentale. L'embrione inizia a svilupparsi a partire dalle dimensioni di un seme di sesamo, dando inizio a un "viaggio magico" di 40 settimane nel corpo della madre. Durante questo periodo, la struttura cerebrale del piccolo essere vivente diventa più complessa e sensibile. Sebbene la nuova scoperta rappresenti solo la punta dell'iceberg della ricerca genetica sul cervello e la ricerca sull'origine, lo sviluppo e il funzionamento del cervello umano continuerà, questo nuovo studio ha creato un importante database. In futuro, ci saranno ancora molti "segreti" sconosciuti sul cervello embrionale che aspettano di essere esplorati.

Questo articolo è un lavoro sostenuto dal programma Science Popularization China Creation Cultivation. Autore: Chen Dingxin

Revisore: Gui Yaxing, primario, reparto di neurologia, Shanghai First People's Hospital

Prodotto da: Associazione cinese per la scienza e la tecnologia Dipartimento di divulgazione scientifica

Produttore: China Science and Technology Press Co., Ltd., Pechino Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.