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Organoidi di cervello umano impiantati in ratti adulti hanno formato connessioni con il tessuto circostante e reagito a stimoli visivi
Un team di scienziati guidato dal Dr. Han-Chiao Isaac Chen, medico e assistente Professore di neurochirurgia presso l’Università della Pennsylvania, utilizzando organoidi cerebrali ricavati da cellule umane, ha trapiantato dei “mini-cervelli” in topi adulti con danni sostanziali alla corteccia visiva, ovvero l’area che supporta la vista. In soli tre mesi, i mini-cervelli si sono fusi con il cervello dei topi e quando il team ha eseguito dei test con luci lampeggianti, gli organoidi sono aumentati di attività elettrica. In altre parole, il mini-cervello umano rispondeva agli stimoli visivi ricevendo segnali dagli occhi dei ratti. Lo studio è stato pubblicato su Cell Stem Cell.
Organoidi cerebrali
Gli organoidi di cervello sono minuscoli grumi di tessuto cerebrale che derivano da cellule staminali pluripotenti indotte, a loro volta ottenute dalla pelle. Acquisiscono molte caratteristiche strutturali del cervello e aumentano la possibilità di una riparazione abbinata al paziente. In effetti, questi mucchietti di cellule neurali si usano per lo più per studiare lo sviluppo del cervello umano e per comprendere le cause di molte malattie neurologiche.
Decenni di ricerca hanno dimostrato che si possono trapiantare singoli neuroni umani e di topi in cervelli di roditori e, più recentemente, è stato dimostrato che gli organoidi del cervello umano possono integrarsi con lo sviluppo dei cervelli di roditori. Tuttavia, deve ancora essere esplorato se questi innesti organoidi possano integrarsi funzionalmente con il sistema visivo dei cervelli adulti lesionati. Ed è quello che il team del Dr. Chen ha voluto esaminare.
Una fusione sorprendente
Per iniziare, il team ha coltivato organoidi cerebrali con una linea di cellule staminali umane rinnovabili. Utilizzando una ricetta chimica precedentemente convalidata, le cellule sono state condotte in mini-cervelli che imitano le parti frontali della corteccia. All’80esimo giorno, i ricercatori hanno visto nell’organoide strati corticali rudimentali, insieme a cellule organizzate in modo da assomigliare a un cervello in via di sviluppo. Hanno quindi trapiantato gli organoidi nella corteccia visiva danneggiata di ratti adulti.
Appena un mese dopo il trapianto, i vasi sanguigni dell’ospite si sono fusi con il tessuto umano, fornendogli l’ossigeno e le sostanze nutritive di cui aveva bisogno e permettendogli di crescere e maturare ulteriormente. I mini-cervelli hanno inoltre sviluppato una miriade di diverse cellule cerebrali, non solo neuroni, ma anche cellule cerebrali di supporto come astrociti e cellule immunitarie specializzate chiamate microglia.
In un primo test, il team ha adoperato un tracciante per mappare le connessioni tra l’organoide e l’occhio dell’animale. Simile a un colorante, il tracciante è un virus che salta tra le connessioni neurali, chiamate sinapsi, mentre trasporta una proteina che si illumina di un verde brillante sotto un microscopio a fluorescenza. I ricercatori hanno così potuto osservare che il flusso di luce si collegava chiaramente fino al mini-cervello trapiantato, il che significa che i suoi circuiti si connettevano, attraverso molteplici sinapsi, agli occhi dei topi.
In sei animali su otto, l’accensione o lo spegnimento delle luci ha innescato una risposta elettrica, indicando che i neuroni umani hanno risposto alla stimolazione esterna. Lo schema dell’attività elettrica somigliava a quelli naturali osservati nella corteccia visiva. In un altro test, gli innesti hanno sviluppato neuroni che preferivano una specifica selettività di orientamento per la luce, una stranezza incorporata nella nostra capacità di percepire il mondo. Quando infatti sono stati testati con diversi reticoli di luce che passavano dal nero al bianco, la preferenza generale dei neuroni innestati imitava quella dei neuroni normali e sani.
“Abbiamo visto che un buon numero di neuroni all’interno dell’organoide rispondeva a specifici orientamenti della luce, il che ci dà la prova che questi neuroni organoidi erano in grado non solo di integrarsi con il sistema visivo, ma erano in grado di adottare funzioni molto specifiche del sistema visivo corteccia”, ha affermato Chen.
Riparare cervelli danneggiati
Lo studio, in conclusione, ha dimostrato che i mini-cervelli possono stabilire rapidamente reti neurali con il cervello dell’ospite, a un ritmo molto più rapido rispetto al trapianto di singole cellule staminali, e suggerisce quindi un uso promettente della tecnologia, ovvero riparare i cervelli danneggiati a una velocità senza precedenti. Ovviamente ci sono ancora molti problemi da superare, ma il prossimo passo dei ricercatori è quello di utilizzare i mini-cervelli per supportare altre regioni del cervello danneggiate, in particolare i danni dovuti alla degenerazione causata dall’età o dalla malattia.
“Ora, vogliamo capire come gli organoidi potrebbero essere utilizzati in altre aree della corteccia, non solo nella corteccia visiva, e vogliamo capire le regole che guidano il modo in cui i neuroni organoidi si integrano con il cervello in modo da poter controllare meglio quel processo e farlo accadere più velocemente”, ha dichiarato Chen.
Ratatouille ha fatto da precursore!