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.

 

Nicole Cardon

BM&L- 9 ottobre 2010

www.brainmindlife.org

 

 

 

 

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[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.