Utilizzando strumenti genetici che consentono ai computer di contare accuratamente i neuroni nelle immagini microscopiche, i ricercatori dell’EPFL hanno stimato il numero di neuroni e di altri tipi di cellule nel cervello delle larve di moscerino della frutta con una precisione senza precedenti, scoprendo che le femmine hanno un numero di neuroni significativamente maggiore rispetto ai maschi. con una precisione senza precedenti il numero di neuroni e di altri tipi di cellule nel cervello delle larve di moscerino della frutta, e ha scoperto che le femmine hanno un numero di neuroni significativamente maggiore rispetto ai maschi.
La determinazione del numero di cellule cerebrali è essenziale per studiare la struttura e la funzione del cervello. Tuttavia, il conteggio dei neuroni sulle immagini microscopiche richiede molto tempo e affatica l’occhio umano. Per superare questo problema, i ricercatori di solito tagliano il tessuto cerebrale e poi contano il numero di cellule in una sezione per stimare il numero totale di neuroni nel cervello. Ma questi metodi sono pieni di errori perché presuppongono che il numero di neuroni o di altre cellule sia lo stesso in tutto il cervello. Ora gli scienziati dell’EPFL hanno sviluppato un nuovo approccio per identificare, con una precisione e una velocità superiori alle capacità umane, le cellule presenti nel cervello intatto delle larve di Drosophila (moscerino della frutta), un tipo di organismo importante per le neuroscienze.
I risultati hanno rivelato un numero minore di neuroni e un numero maggiore di cellule gliali - un tipo di cellula che sostiene e protegge i neuroni - rispetto a quanto si pensava in precedenza. L’équipe ha inoltre riscontrato differenze inaspettate tra il cervello delle larve maschili e quello delle larve femminili, con queste ultime che presentano un numero di neuroni significativamente maggiore rispetto alle prime.
Al momento, gli scienziati stanno cercando di far sì che i robot o i computer risolvano i problemi che di solito risolvono gli esseri umani", afferma Brian McCabe, autore principale dello studio, direttore del Laboratorio di Genetica e Malattie Neurali e professore presso la Facoltà di Scienze della Vita dell’EPFL.Brian McCabe, autore principale dello studio, direttore del Laboratorio di Genetica e Malattie Neurali e professore presso la Facoltà di Scienze della Vita dell’EPFL. Cerchiamo di venire incontro ai computer a metà strada, rendendo il problema più facile da risolvere per loro. Ad esempio, quando i neuroscienziati osservano le cellule nervose, ne segnano l’intera superficie. I neuroni possono avere strutture estremamente complesse. Come le altre cellule, hanno un corpo rotondo dove si trovano il nucleo e altre strutture cellulari. Ma i neuroni hanno qualcosa che le altre cellule non hanno: complesse sporgenze che si estendono dal corpo cellulare per trasportare segnali elettrici e chimici dentro e fuori la cellula. Per i computer è molto difficile da misurare", riferisce Brian McCabe.
Nel loro studio sulle larve di Drosophila, Wei Jiao, scienziato post-dottorato nel laboratorio di Brian McCabe, e i suoi colleghi hanno utilizzato strumenti genetici per esprimere un marcatore fluorescente che facesse brillare solo i nuclei dei neuroni. Hanno quindi fotografato il cervello delle larve utilizzando una sofisticata tecnica di microscopia che consente ai ricercatori di creare un’immagine 3D di un campione senza danneggiarlo. Infine, il team ha chiesto ai computer di ispezionare e analizzare le immagini microscopiche. In queste immagini, il neurone è rappresentato da un singolo punto e la computer vision non deve cercare forme 3D complesse, ma solo contare i punti", spiega Brian McCabe.
Utilizzando questo approccio, il team ha scoperto che il cervello delle larve femmine aveva circa 10.300 neuroni, il 15-30% in meno di quanto stimato in precedenza, e circa 3.800 cellule gliali, il triplo di quanto ritenuto in precedenza.
Il cervello delle larve maschili ha circa 9.400 neuroni, ovvero quasi il 10% in meno rispetto a quello delle larve femminili. D’altra parte, ha circa il 4% in più di cellule gliali rispetto al cervello femminile, secondo il team di ricerca. Allo stadio larvale, la Drosophila non ha organi sessuali esterni. Quindi siamo stati sorpresi di trovare una differenza così grande", dice Brian McCabe.
Ulteriori analisi condotte da matematici guidati da Kathryn Hess, direttore del Laboratorio di Topologia e Neuroscienze e professore presso la Facoltà di Scienze della Vita dell’EPFL, hanno confermato le differenze cerebrali legate al genere. Facoltà di Scienze della Vita dell’EPFL, ha confermato le differenze di genere nel cervello. Quando il team di ricerca ha analizzato i dati utilizzando i metodi di un campo della matematica chiamato topologia, che studia la forma dei dati, ha scoperto che non c’erano differenze di genere.Quando il team di ricerca ha analizzato i dati utilizzando i metodi di un campo della matematica chiamato topologia, che studia la forma dei dati, si è scoperto che era possibile prevedere il sesso dell’animale con un’accuratezza del 99% basandosi esclusivamente sulla topologia del suo cervello. La struttura emergente complessiva del cervello maschile sembra essere diversa da quella del cervello femminile", afferma Kathryn Hess. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica eLife.
Anche se attualmente non esiste una spiegazione per queste differenze di sesso, Brian McCabe ipotizza che le differenze comportamentali possano contribuire alla variazione del numero di neuroni e cellule gliali tra il cervello maschile e quello femminile. Tuttavia, aggiunge che, alla luce dei risultati, i ricercatori che studiano il comportamento o le connessioni cerebrali dovrebbero esaminare entrambi i sessi.
Ora che hanno determinato esattamente il numero di cellule cerebrali delle larve di Drosophila, vogliono studiare come i neuroni si connettono tra loro e qual è la loro funzione nel cervello. A tal fine, McCabe intende utilizzare una serie di tecnologie simili che combinano strumenti genetici con l’imaging e l’analisi dei dati assistiti da computer - un approccio che i ricercatori chiamano robogenetica, o genetica per computer. La robogenetica ha il potenziale per potenziare l’analisi dei dati assistita dal computer, consentendo ai teorici di studiare i dati biologici, afferma Brian McCabe. Aggiunge che tale approccio interdisciplinare è uno degli obiettivi dell’Imaging Centre dell’EPFL, un centro di recente apertura per l’imaging e l’analisi avanzata.
RiferimentiWei Jiao, Gard Spreemann, Evelyne Ruchti, Soumya Banerjee, Samuel Vernon, Ying Shi, R Steven Stowers, Kathryn Hess, Brian D McCabe. La quantificazione cellulare del sistema nervoso centrale di Drosophila intatto rivela il dimorfismo sessuale. Elife 08 luglio 2022. DOI: 10.7554/eLife.74968
