Capacitatea noastră de a prelua informații din lumea din jurul nostru, de a face deducții și de executa reacții adecvate este generată de creierul nostru. Creierul, care cântărește aproximativ 1,5 kg la un adult mediu, folosește 20% din energia corpului nostru pentru a alimenta o rețea de circa 86 de miliarde de celule.
Cercetările din domeniul neuroștiințelor utilizează diferite abordări pentru a înțelege dezvoltarea și funcționarea celulelor creierului în stări normale și de boală. După peste 200 de ani de cercetări, abia începem să înțelegem modul în care diferite tipuri de celulele sunt generate în creier.
Există două tipuri principale de celule în creier: neuronii și celulele gliale. Neuronii sunt responsabili pentru conducerea semnalelor electrice care transportă informațiile privind stările creierului și despre senzațiile din lumea exterioară. Celulele gliale, despre care anterior se credea că funcționează ca un adeziv pentru conectarea neuronilor, joacă roluri-cheie în dezvoltarea, semnalizarea, întreținerea și repararea neuronilor.
O secțiunea prin creierul uman dezvăluie o serie de structuri organizaționale, care constau din celulele creierului și lucrează împreună pentru a îndeplini diferite funcții. O astfel de structură, denumită cortex cerebral (sau doar cortex), a făcut obiectul a numeroase investigații asupra modului în care se nasc și se organizează diferite celule în creier. În adâncul creierului există spații pline de lichid denumite ventricule, care secretă lichidul cefalorahidian pentru protejarea și întreținerea întregului sistem nervos central.
Regiunile creierului. Creierul are numeroase regiuni, fiecare îndeplinind funcții diferite. De exemplu, cortexul cerebral este responsabil pentru funcțiile de execuție, inclusiv controlul emoțional și motivația, în timp ce ventriculele secretă un fluid menit să protejeze sistemul nervos central. | Ilustrație: CORENA LOEB
Totul a început cu „părintele” neuroștiințelor moderne
Santiango Ramon y Cajal este considerat „părintele” neuroștiințelor moderne. El a primit Premiul Nobel în anul 1906 (alături de Camillo Golgi) pentru activitatea sa privind structura sistemului nervos.
Cajal a utilizat un colorant pe bază de azotat de argint, dezvoltat de Golgi, pentru a vizualiza celulele din cortexul cerebral – care mai târziu au fost identificate drept neuroni – și a desenat reprezentări detaliate ale acestora. În desenele sale, savantul a identificat tipuri distincte de neuroni pe baza morfologiei și organizării lor în diferite straturi ale cortexului. Cu toate acestea, modul de apariția a acestor celule în timpul dezvoltării a rămas sub semnul întrebării.
O celulă din care se formează toate celelalte
Neuronii, ca și alte celule din organism, apar atunci când o celulă progenitor suferă o diviziune. Studiile au arătat că celulele progenitor denumite celule gliale radiale dau naștere atât neuronilor, cât și celulelor gliale.
Celulele gliale progentor sunt un tip de celule neuronale progenitor care apar în partea inferioară a ventriculului, într-o zonă numită zonă ventriculară. Aceste celule prezintă prelungiri care apoi se extind în sus, înspre partea inferioară a boltei craniului. Celulele gliale radiale se divid în timpul dezvoltării pentru a se duplica și a genera un neuron-„fiică”. Pe măsură ce aceste celule-fiice migrează de la locul lor de origine la destinația lor finală, ele încep să capete caracteristici genetice distincte pentru a deveni diferitele tipuri de neuroni și celule gliale întâlnite în cortex.
Mai târziu în timpul dezvoltării, celulele gliale radiale își desprind prelungirile și încep să producă celule gliale prin diviziune celulară. Acest proces necesită un control temporal strict pentru a se asigura că un număr corespunzător de celule se nasc în ordinea corectă. Tulburările din acestă fază a dezvoltării pot duce la afecțiuni precum microcefalia, epilepsia sau hidrocefalia.
Celulele gliale radiate creează diversitatea. În timpul dezvoltării creierului, celulele gliale radiale se divid pentru a genera neuroni și astrocite. Apoi acești neuroni migrează către destinația lor finală din creier. | Ilustrație: CORENA LOEB
Gene, gene, gene!
În timp ce sincronizarea este esențială pentru ordinea corectă a diviziunii celulare, expresia genelor joacă, de asemenea, un rol important. Experimentele efectuate pe șoareci au arătat că supra- sau subexprimarea anumitor gene din celulele gliale radiale poate afecta straturile corticale, migrarea celulelor-fiice și numărul și tipurile de neuroni și celule gliale produse.
Celulele gliale radiale sunt capabile să producă atât neuroni, cât și celule gliale. Oamenii de știință desfășoară acum experimente pentru a stabili modul în care celulele gliale radiale comută între formarea neuronilor și formarea celulelor gliale, prin modificarea expresiei genelor pe modele animale. Observațiile au arătat că expresia diferitelor gene și prezența proteinelor de semnalizare ajută la reglarea sincronizării generării diversității celulare din creier. Astfel, în fazele incipiente ale dezvoltării, celulele gliale radiale exprimă gene care determină formarea neuronilor, după care procesul comută spre formarea celulelor gliale, în fazele ulterioare ale dezvoltării.
Abordări în studierea diversității celulare
Noile tehnologii ne permit să descoperim diversitatea celulelor din creier și să înțelegem logica moleculară din spatele generării acestei diversități. În trecut, informațiile despre diferențele dintre celule erau obținute prin observarea morfologiei sau poziției lor în creier, însă informații suplimentare pot fi obținute din expresia genelor. Cercetările în curs de desfășurare utilizează secvențierea genetică pentru a scoate la iveală o heterogenitate și mai mare a creierului și a altor părți ale sistemului nervos.
Datele colectate prin astfel de metode sunt apoi utilizate pentru a genera o hartă care arată mișcările celulelor progenitor în decursul timpului, pentru a deveni diferite tipuri de celule ale creierului. Această hartă include informații despre descendențe și despre traiectoria urmată de procesul de dezvoltare. Aceste metode sunt acum aplicate pentru a înțelege eterogenitatea neuronilor și a celulelor gliale în diferite structuri ale creierului, precum și în sistemul nervos periferic, pentru a crea o imagine unificată a diversității celulare în sistemul nervos.
Înțelegerea diversității tipurilor de celule din creier ne permite să identificăm ce tipuri de celule sunt vulnerabile la îmbătrânire și boli, precum și să valorificăm această diversitate pentru a urmări căile terapeutice pentru tratarea bolilor. Oamenii de știință speră să înțeleagă într-o bună zi cum sunt produse toate celulele din creier, ce gene exprimă și când încep să le exprime, astfel încât să putem face progrese în tratarea bolilor.