L’Allen
Human Brain Atlas va alla radice della mente e dei suoi disturbi
DIANE RICHMOND
NOTE E
NOTIZIE - Anno VIII - 13 novembre 2010.
Testi pubblicati sul sito www.brainmindlife.org della Società Nazionale
di Neuroscienze “Brain, Mind & Life - Italia” (BM&L-Italia). La sezione
“note e notizie” presenta settimanalmente note di recensione di lavori
neuroscientifici selezionati dallo staff
dei recensori fra quelli pubblicati o in corso di pubblicazione sulle maggiori
riviste e il cui argomento rientra negli oggetti di studio dei soci afferenti
alla Commissione Scientifica, e
notizie o commenti relativi a fatti ed eventi rilevanti per la Società
Nazionale di Neuroscienze.
[Tipologia del testo: SINTESI
DI UNA RELAZIONE]
All’inizio
di questo decennio, Paul G. Allen, filantropo e co-fondatore della Microsoft,
raccolse intorno a sé alcuni fra i maggiori esperti di neuroscienze, genomica e
biologia molecolare, perché definissero un progetto finalizzato ad incidere su
tutto il campo delle scienze del cervello, determinando un salto qualitativo
decisivo per ottenere un’accelerazione nel progredire delle conoscenze sulle
radici molecolari della fisiologia e della patologia dell’encefalo. Per
giungere al risultato sperato si tennero, a partire dal 2001, degli incontri
volti a discutere ed elaborare in forma critica e costruttiva varie proposte.
L’idea
che raccolse i maggiori consensi fu la realizzazione di una mappa tridimensionale dell’attività di tutti i geni conosciuti in tutte le aree
dell’encefalo. Se resa accessibile online,
tale mappa avrebbe consentito a tutti i ricercatori interessati al ruolo di un
particolare gene o gruppo di geni di disporre di un quadro completo di attivazione
e co-attivazione in rapporto con la topografia funzionale. In tal modo, ogni
ricerca genetica su una funzione dell’encefalo o sulle cause di un disturbo
mentale, si sarebbe potuta subito orientare, ragionando in base ad uno
straordinario repertorio tridimensionale di tavole di correlazione
localizzazione/espressione, costantemente aggiornato ed arricchito di
particolari.
L’idea
apparve subito straordinaria: un progetto scientifico che, partendo
dall’impresa biotecnologica che aveva appena ultimato la decodifica della mappa
dei loci genici umani (Human Genome Project), sarebbe andato oltre le
possibilità di tutti i maggiori laboratori, fornendo una solida cornice di
riferimento ad ogni ipotesi neurogenetica, così accelerando in maniera decisiva
il ritmo delle scoperte e la profondità della loro interpretazione.
Nel
2003, con il generoso finanziamento di 100 milioni di dollari, Paul Allen vara
l’impresa fondando a Seattle l’Allen Institute for Brain Science che avrebbe
consentito di realizzare l’Allen Human
Brain Atlas.
Concordemente,
i ricercatori decisero che il primo grande passo per questa titanica impresa sarebbe
stata la realizzazione di un Mouse Brain
Atlas che avrebbe consentito di definire il metodo di lavoro, valutare
tutte le difficoltà, standardizzare le procedure e, soprattutto, fornire alla
comunità neuroscientifica un primo straordinario strumento di verifica del
proprio lavoro. La maggior parte delle ricerche sulla fisiologia e la patologia
dell’encefalo, da quelle volte a comprendere meccanismi molecolari a quelle che
sperimentano farmaci, sono infatti condotte su cervelli murini, perché il topo
condivide con gli altri mammiferi, uomo compreso, l’organizzazione funzionale
del sistema nervoso centrale, e il 90% dei suoi geni ha un corrispettivo nel
nostro patrimonio. In proposito si può fare un’osservazione, utile soprattutto a
coloro che hanno un’idea ingenuamente deterministica del genoma: il topo
presenta approssimativamente 20.000 geni come l’uomo, pertanto la complessità
del nostro cervello e le dimensioni della sua corteccia sono conseguenza più
della qualità dei processi epigenetici di sviluppo che della quantità degli
ingredienti genetici di base.
Quanto
sarebbe durato questo primo fondamentale passo per giungere all’atlante umano?
Nel
2003 un genetista, impegnato a pieno ritmo in un laboratorio di ricerca all’avanguardia,
avrebbe impiegato circa cinque anni per realizzare la mappa delle attività di
10 geni, dunque per 20.000 geni sarebbero occorsi teoricamente 10.000 anni di
lavoro di un solo ricercatore o 1000 anni di un gruppo di dieci. Uno dei meriti
della fondazione di Paul Allen è stato l’acquisto e l’impiego di nuovi
strumenti tecnologici in grado di eseguire automaticamente compiti umani
funzionando ininterrottamente giorno e notte: l’uso appropriato secondo il
progetto di tutte le migliori apparecchiature ha fornito un supporto prezioso
per la riduzione dei tempi. Per visualizzare l’espressione genica sono state
realizzate sezioni sottili di tessuto cerebrale, fissate su vetrini e poste in
immersione in soluzioni contenenti molecole in grado di legarsi specificamente
all’mRNA di ogni singolo gene. Poi è stata avviata la reazione chimica in grado
di colorare i complessi molecolari in modo da marcarne la localizzazione
all’interno della sezione di tessuto, così da consentire di riconoscere le
cellule esprimenti ciascun gene. Sono poi stati impiegati microscopi robotici
per fotografare un milione di queste sezioni, ritenute sufficienti per
verificare in dettaglio i territori di espressione dei 20.000 geni, ciascuno in
media esplorato mediante 500 vetrini.
Dopo
aver trasferito tutte le immagini in un opportuno database del computer di servizio, è stato realizzata, grazie ad un
ottimo software, la ricostruzione
digitale in 3-D di tutto il cervello di topo con i patterns morfologici dell’espressione dei 20.000 geni, ed è stata
posta online a disposizione di tutti
i ricercatori.
L’intero
lavoro ha richiesto solo tre anni.
Dal
2006, la quantità ma soprattutto la qualità dei dati che è stato possibile
ottenere grazie a questo speciale atlante, è stata veramente notevole ed ha
costituito un incoraggiamento durante gli oltre due anni di studi e
pianificazioni che hanno preceduto l’avvio, nel marzo del 2009, del progetto
relativo all’encefalo dell’uomo.
Era
tutto pronto, ma rimaneva un grosso ostacolo da superare: si aveva bisogno di
un cervello umano che fosse intero ed integro, privo di qualsiasi danno anche
di livello subclinico e congelato rapidamente entro le 24 ore dal decesso per
evitare il degradarsi degli mRNA, cruciali per lo studio dell’espressione
genica. E’ noto che è difficile il contemporaneo verificarsi di tali
condizioni, perché se vi sono i requisiti di integrità e il consenso all’espianto,
giustamente si dà la precedenza agli altri organi da asportare per il trapianto
che, in genere, salva vite umane o ne prolunga la durata migliorandone le
condizioni. Per questo motivo, si dovette attendere il luglio del 2009 per il
primo dei cervelli necessari all’impresa.
Allan
Jones, Caroline Overly e colleghi dell’Allen Institute for Brain Science hanno
realizzato, prima di sacrificare l’organo per le sezioni istologiche, una speciale
serie di scansioni mediante risonanza magnetica nucleare (MRI), per creare su
quella base una ricostruzione tridimensionale del cervello, completa in ogni
dettaglio e ad alta fedeltà di risoluzione. I dati genetici ottenuti mediante microarray e quelli sull’architettura
cellulare provenienti dai preparati istologici, sono stati mappati nella
ricostruzione MRI del cervello in un tempo straordinariamente breve.
La
scorsa primavera si è avuta la prima presentazione alla comunità scientifica
internazionale di un set di dati
pressoché completo, proveniente da questo primo cervello: circa 50 milioni di
misurazioni dell’espressione genica.
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
Jones A. R., Overly C. C., and Sunkin S. M. The Allen
Brain Atlas: 5 Years and Beyond. Nature
Reviews Neuroscience 10 (11), 821-828,
2009.
Lein S., et al.
Genome-Wide Atlas of Gene Expression in the Adult Mouse Brain. Nature 445, 168-176, 2007.
Koester S. E. & Insel T. R. Mouse Maps of Gene
Expression in the Brain. Genome Biology 8 (5), 212, 2007.
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Il testo qui presentato è il riassunto di una relazione
tenuta dalla stessa autrice, lo scorso venerdì 12 novembre ad un incontro con i
soci di BM&L-Italia sul fondamento neurogenetico della fisiologia cerebrale.
Il testo nella sua versione integrale è stato esteso in collaborazione con il
presidente Perrella.