Un neurone per volta: dall’Università di Pisa un metodo all’avanguardia per investigare le strutture fondamentali del nostro cervello

Poter vedere e descrivere distintamente un singolo neurone, districandolo dalla foresta dei miliardi di cellule e connessioni nel nostro cervello, è al momento una grande sfida per gli studiosi di neuroscienze. Individuare anomalie nella forma e nella struttura neurale a scale così ridotte è infatti un passo cruciale per l’identificazione di diverse neuropatie. Dall’Università di Pisa – in collaborazione con l’Istituto di Psichiatria e Neuroscienze di Parigi – arriva SENPAI, un metodo all’avanguardia per poter produrre immagini ad alta risoluzione della morfologia dei neuroni, caratterizzandone i circuiti fino a scale estremamente ridotte. La ricerca è stata pubblicata su Nature Communications.

“I miliardi di neuroni “impacchettati” nel nostro cervello – spiega Nicola Vanello, docente di bioingegneria presso il Dipartimento di Ingegneria d’Informazione e il Centro Piaggio dell’Università di Pisa – costituiscono una vera e propria giungla, tenuta insieme da connessioni molto complesse. Isolare un singolo albero è estremamente difficile. Poter caratterizzare un neurone singolo preso da un tessuto di un essere vivente è sempre stato un obiettivo primario per la comunità scientifica.  SENPAI ci consente di segmentare neuroni ex vivo su scala cellulare e subcellulare, di caratterizzare l’arborizzazione neuronale, i diametri dei rami dendritici o la densità delle spine in modo più accurato e fedele rispetto agli attuali algoritmi e strumenti di elaborazione delle immagini.”

“Particolarmente importante è la caratterizzazione delle spine dendritiche – prosegue Simone Cauzzo, post-doc in bioingegneria e primo autore dell’articolo – che sono responsabili degli input elettrici tra le sinapsi. Dalla loro forma, dimensione e numero dipendono funzioni come l’apprendimento, la memoria e la motivazione. Infatti, alterazioni di questi parametri e dunque dell’attività sinaptica sono riscontrabili in molte condizioni patologiche, come l’Alzheimer, e in diverse disfunzioni cerebrali. Poter vedere la forma di queste piccole componenti del neurone può farci compiere enormi passi in avanti nella comprensione del nostro cervello.

Il metodo è stato sviluppato dal team di bioingegneri dell’Università di Pisa nell’ambito del progetto SENSEI del Centro di Ricerca di Ateneo “E. Piaggio”, finanziato dal MUR per il programma FLAG-ERA, e si fonda su tecniche avanzate di acquisizione delle immagini dei campioni di tessuto cerebrale, successivamente elaborate da un algoritmo, in grado di segmentare i singoli neuroni e ricostruire un modello in 3D.

“Fin dallo scorso secolo, le tecniche di imaging si sono rivelate fondamentali per studiare il sistema nervoso, basta pensare a Camillo Golgi – spiega Chiara Magliaro, ricercatrice in bioingegneria al Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione e al Centro Piaggio dell’Università di Pisa – Oggi, le tecniche di imaging si sono affinate: abbiamo microscopi più potenti, e protocolli di preparazione del campione che ci permettono di vedere più in profondità, più in dettaglio. Il valore aggiunto di SENPAI è la piena sinergia con queste tecniche, che ci ha permesso di ricostruire le cellule nervose con un dettaglio senza precedenti”.

L’utilizzo combinato di imaging avanzato e di SENPAI contribuirà al miglioramento delle indagini sul sistema nervoso umano, anche tramite lo studio di costrutti cellulari complessi, quali gli organoidi cerebrali, nell’ottica di ridurre la sperimentazione animale.