Brainbow: Come colorare un cervello

Il dottore in biomedicina Pablo Barrecheguren parla del termine Brainbow, una tecnica che permette di distinguere neuroni adiacenti.

Nel 1906 il Premio Nobel per la Medicina fu condiviso tra Camillo Golgi e Santiago Ramón y Cajal. In gran parte fu assegnato a Golgi per aver creato un tipo di colorazione che evidenziava i neuroni e le loro ramificazioni, ma questa presentava il problema che, essendoci così tanti neuroni, era molto difficile vedere dove iniziava e finiva ciascun neurone.

Cajal modificò la colorazione in modo da rendere distinguibili un numero molto minore di neuroni, il che permise di vedere individualmente ciascuna cellula e di scoprire che nella comunicazione tra neuroni esistono spazi di separazione.

Il Brainbow

Fin dai primordi dell’istologia è stato un problema costante distinguere i neuroni e le loro estensioni all’interno di una colorazione.

E non è un caso, dato che il nostro cervello contiene più di 100.000 chilometri di connessioni, ma fortunatamente nel 2007 è stata pubblicata la prima versione di una tecnica che permette di vedere individualmente ciascuna di queste connessioni: il Brainbow.

I concetti del Brainbow

Questa tecnica si basa su due concetti molto semplici:

È possibile generare animali transgenici che esprimono proteine fluorescenti di diversi colori. Ad esempio, esiste la proteina fluorescente verde (GFP, Green fluorencent protein) o la proteina fluorescente rossa (RFP, Red fluorencent protein).
Se ogni cellula di un tessuto animale possiede diversi tipi di queste proteine fluorescenti e in quantità varie, allora ogni cellula avrà un colore diverso.

Partendo da questa base, sono stati generati animali (inizialmente si è lavorato con topi) che avevano tre o quattro diverse proteine fluorescenti che si mescolavano grazie all’attivazione di un gene (una recombinasi introdotta anch’essa artificialmente nel genoma), il quale mescola in modo casuale le quantità e i tipi di proteine fluorescenti in ogni cellula.

Il risultato di ciò è di ottenere approssimativamente 100 combinazioni diverse di colori. Qui la chiave è che questo cambiamento di colore è permanente e marca l’intera cellula, comprese le sue ramificazioni.

Poiché ciò avviene nei neuroni del cervello, questo permette un studio dettagliato di ciò che è noto come il connettoma (l’insieme delle connessioni tra neuroni) e facilita l’analisi al microscopio di dove si connette ogni neurone.

Sebbene, è chiaro, sia necessario un importante lavoro di bioinformatica e microscopia elettronica per gestire un volume così grande di connessioni.

Ma lo studio del connettoma lo merita, dato che sono le connessioni che permettono il passaggio di informazioni tra corpi neuronali e sono quelle che spiegano veramente come funziona il cervello ogni volta che esegue un compito.

Il Brainbow in altri organismi

L’importanza del Brainbow è tale che è stato importato in altri organismi in cui è possibile la manipolazione genetica.

Un esempio è Drosophila melanogaster, la mosca della frutta, dove esiste una intensa ricerca neuroscientifica sia a livello basilare studiando lo sviluppo cerebrale, sia a livello biomedico, con studi che utilizzano Drosophila per ricerche sul Parkinson o sull’Alzheimer.

E un altro esempio è il Dario rerio o pesce zebra, che grazie al fatto di essere trasparente durante le prime fasi del suo sviluppo viene utilizzato per lo studio della formazione iniziale del sistema nervoso dei vertebrati.

Inoltre, non bisogna dimenticare che, sebbene originariamente il Brainbow fosse una tecnica sviluppata per studi neuroscientifici, è possibile adattare questo strumento ad altri tipi di tessuti.

Il Brainbow e la biologia cellulare

Con tutto ciò, il Brainbow è diventato uno degli strumenti più popolari della biologia cellulare. Rimane ancora uno strumento importante nello studio del connettoma, che è senza dubbio la grande sfida neuroscientifica del XXI secolo.

Ma può essere utilizzato anche in altri compiti, come ad esempio lo studio dei lignaggi cellulari: una volta attivata la tecnica, il cambiamento di colore nei neuroni è permanente e, inoltre, ereditaria.

Vale a dire, se quella cellula si divide, le sue cellule figlie manterranno il colore della cellula progenitrice. Ciò permette di studiare con precisione quali cellule danno origine a quali tessuti, contribuendo così a comprendere più a fondo il campo delle cellule staminali neuronali.

E il Brainbow non è soltanto una delle tecniche più spettacolari della biologia molecolare, ma è anche una delle più versatili.

Bibliografia

Benjamin Richier e Iris Salecker. Versatile genetic paintbrushes: Brainbow technologies. WIREs Developmental Biology (2015). Volume 4.
Dawen Cai, Kimberly B. Cohen, Tuanlian Luo, Jeff W. Lichtman e Joshua R. Sanes. New tools for the brainbow toolbox. Nat Methods (2013). 10(6): 540–547.
Jean Livet, Tamily A. Weissman, Hyuno Kang, Ryan W. Draft, Ju Lu, Robyn A. Bennis, Joshua R. Sanes e Jeff W. Lichtman. Transgenic strategies for combinatorial expression of fluorescent proteins in thenervous system. Nature (2007). Vol 450.
Michel A. Hofman. Evolution of the human brain: when bigger is better. Frontiers in Neuroanatomy (2014). Volume 8, Article 15.
Zoe T. Cook, Nicole L. Brockway, Zachary J. C. Tobias, Joy Pajarla, Isaac S. Boardman, Helen Ippolito, Sylvia Nkombo Nkoula e Tamily A. Weissman. Combining near-infrared fluorescence with Brainbow to visualize expression of specific genes within a multicolor context. Molecular Biology of the Cell (2019). Volume 30