Le
connessioni ippocampali nella nuova prospettiva della connettomica
NICOLE CARDON
NOTE E
NOTIZIE - Anno VIII - 9 ottobre 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:
RECENSIONE]
Lo
studio dell’hardwiring dell’encefalo,
ossia la deduzione dello schema delle connessioni fisiologiche fondamentali distinto
da collegamenti accessori e ridondanti, così come dalla miriade di variazioni
individuali, costituisce una delle maggiori sfide per le neuroscienze del
presente e del prossimo futuro. Alla sostanziale costanza macroscopica della
configurazione di centri e vie del sistema nervoso centrale, che costituisce la
base della neuroanatomia descrittiva e funzionale classica, fa riscontro una
complessità apparentemente indecifrabile delle connessioni microscopiche,
costituite da una miriade di reti inestricabilmente fuse, che nell’uomo contano
migliaia di miliardi di sinapsi.
Per
affrontare questa difficile impresa, si impiegano numerosi approcci, dalla trattografia, tecnica sviluppata sulla metodica
DTI in MRI[1]
che sta aiutando a completare il quadro topografico dei fasci e delle vie
dell’encefalo e del midollo spinale, a sofisticate tecniche genetiche,
biochimiche e di microscopia per l’identificazione della destinazione e della
provenienza di assoni in piccoli sistemi sinaptici di cruciale importanza
funzionale. Ma, per riuscire nell’impresa di definire l’insieme delle
connessioni al livello sinaptico, di recente si è avvertito il bisogno di conferire
una struttura organica al complesso delle indagini, creando una banca-dati
comune ed una coordinazione degli obiettivi; a questo ambito organizzato della
ricerca neurobiologica si è dato il nome di connettomica.
Un
impulso decisivo alla definizione della connettomica quale campo indipendente è
stato fornito dalla tecnica elaborata da Jeff W. Lichtman e Joshua R. Sanes
alla Harvard University e battezzata brainbow,
in quanto consente di colorare, distinguere e mappare con tinte diverse 100 tipi
di neuroni simultaneamente[2].
Nella
prospettiva della connettomica, un’analisi ultrastrutturale del neuropilo
dell’ippocampo è stata effettuata da Yurjy Mishchenko e colleghi dell’Howard
Hughes Medical Institute, Ashburn (USA), del Center for Learning and Memory,
University of Texas, Austin (USA) e del Fingerland Department of Pathology,
Charles University Hospital (Repubblica Ceca) (Mishchenko Y., et al. Ultrastructural Analysis of
Hippocampal Neuropil from the Connectomics Perspective. Neuron 67 (6), 1009-1020,
2010).
Lo
studio, che è la prima ricostruzione di alta densità di volumi di tessuto di
cervello di mammifero alla risoluzione di pochi nanometri, ha riportato
risultati che susciteranno interesse ben oltre il campo della connettomica.
I
ricercatori hanno impiegato sezioni seriali per microscopia elettronica a trasmissione in grado di consentire una
ricostruzione ad alto grado di densità per quattro volumi di tessuto
ippocampale di ratto, corrispondenti a 670 μm3. Lo scopo
immediato dello studio era rappresentato dall’impiego dell’ippocampo di ratto
per determinare le condizioni in cui la prossimità asso-dendritica consente di
prevedere la presenza di sinapsi.
L’osservazione
ha fornito esiti in contrasto con la visione corrente più comune.
1)
In primo luogo, in contrasto con la regola
di Peters, la densità degli assoni entro l’area in cui le spine dendritiche
sono raggiungibili non prevedeva la densità sinaptica lungo i dendriti, in
quanto la frazione di terminali assonici formanti giunzioni è risultata
variabile.
2)
In secondo luogo, un contatto asso-dendritico non prevedeva una sinapsi, ma la
densità delle sinapsi lungo un dendrite ippocampale è risultata corrispondere
ad una frazione universale della densità dei contatti: 0,2.
3)
Infine, il contatto più esteso fra un bottone assonico ed una spina dendritica
indicava il sito di una vera sinapsi con una precisione di circa l’80%, ma
questo criterio non avrebbe identificato circa la metà del totale delle
sinapsi.
Dallo
studio si evince che, in assenza di
elementi ultrastrutturali
diretti, i dati generali e le regole di previsione si rivelano fallaci: la regola di Peters non è
affidabile, i contatti fra dendriti e assoni mostrano correlazione con la
densità sinaptica, ma non consentono di prevedere la presenza di singole
giunzioni e, infine, è evidente che le geometrie assoniche e dendritiche da
sole sono insufficienti per dedurre la struttura di un circuito.
L’autrice della nota, che ringrazia dottoressa Isabella Floriani
per la correzione della bozza, invita alla lettura degli scritti di argomento
connesso che compaiono su questo sito.
[1] Si ricorda che, impiegando la visualizzazione trattografica basata sulla diffusion tensor imaging (DTI), procedura sviluppata in seno alla risonanza magnetica nucleare (MRI, da magnetic resonance imaging), Marco Catani e collaboratori hanno scoperto un collegamento indiretto fra aree anteriori e posteriori del linguaggio, una nuova via che affianca quella classica di connessione diretta (fascicolo arcuato) con una stazione nel territorio perisilviano di Geschwind fornendo una base anatomica ai processi che conferiscono significato ai messaggi verbali.
[2] Controllando e variando l’ammontare dei derivati rossi, verdi e blu della proteina fluorescente verde, è possibile mappare ciascun neurone con un colore distintivo, giungendo ad oltre un centinaio di tipi a fronte dei pochi neuroni distinti con le precedenti procedure. I risultati stanno aprendo una finestra su un livello di indagine in gran parte ignoto. Si invita a scorre l’elenco delle “Note e Notizie” per una interessante recensione sull’argomento.