Il
significato delle onde a spirale della neocorteccia
NICOLE CARDON & GIUSEPPE PERRELLA
NOTE E
NOTIZIE - Anno VIII - 18 dicembre 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 elettrofisiologico della corteccia cerebrale costituisce uno dei campi
più affascinanti della ricerca neuroscientifica, che copre uno spettro di
indagini esteso dall’epilessia ai correlati neurofunzionali della coscienza.
Con l’affinamento delle tecniche e delle metodologie, negli ultimi decenni
questa branca ha fornito un apporto fondamentale per la composizione di dati
molecolari, cellulari, neuropsicologici, cognitivi e di neuroimaging, in quadri fisiologici coerenti e correlati con
l’anatomia macroscopica e microscopica. Fra le sfide che attualmente impegnano
questo ambito sperimentale, vi è la comprensione del significato
neurofisiologico di un fenomeno che, nonostante gli sforzi di comprensione fin
qui profusi, rimane misterioso: le onde a
spirale della
neocorteccia.
In
natura le onde a spirale si sono rivelate un fenomeno
onnipresente[1], osservato e
descritto con cura in molti sistemi biologici, ma la potenziale funzione e
perfino la reale esistenza di onde spirali nella corteccia cerebrale dei
mammiferi è rimasta fino ad oggi incerta. Xiaoying Huang e collaboratori hanno
condotto uno studio per accertare la presenza di questo fenomeno bioelettrico
nel manto corticale dei mammiferi e cercare di comprenderne il significato: i
risultati sono veramente degni di nota (Huang
X., et al. Spiral Wave Dynamics in
Neocortex. Neuron 68 (5), 978-990, 2010).
I
ricercatori, afferenti al Department of Physiology and Biophysics, Georgetown
University Medical Center, Washington (USA), al Leibniz Institute for
Neurobiology, Magdeburg (Germania) e al Dipartment of Pediatrics, Jilin
University First Hospital, Changchun (Cina), al fine di studiare l’attività
elettrica della neocorteccia in vivo,
hanno impiegato una metodica per la formazione di immagini che sfrutta la
colorazione sensibile al voltaggio (voltage-sensitive
dye imaging).
Onde
di attività neuronale che si propagano, note come traveling waves, si originano di frequente nel corso di eventi
sensoriali e motori. Un’onda di propagazione evocata da un input sensoriale parte dall’area corticale corrispondente alla
rappresentazione sensoriale e si propaga lungo l’intera superficie delle aree
primaria e secondaria della modalità sensoriale attivata. I singoli neuroni
sono solo lievemente depolarizzati da quest’onda, ma si accresce la loro
probabilità di generare potenziali d’azione. Quando una numerosa popolazione
neuronica è coerentemente depolarizzata da tali onde, si può avere un aumento della trasmissione locale degli interneuroni. In tal modo un’onda di
propagazione potrebbe contribuire all’elaborazione corticale determinando quando e dove la corteccia è depolarizzata in rapporto ad un evento
sensoriale o motorio.
Le
onde a spirale sono una particolare forma di onde
di propagazione ruotanti intorno a un punto centrale detto rotore. Tale centro rotatorio, in genere, emerge dal fronte libero
dell’onda viaggiante e, poco dopo la sua costituzione, diventa un potente
organizzatore ritmico mediante l’invio verso l’esterno di forti onde rotatorie[2].
Si ritiene che in tal modo le onde a spirale possano fornire un meccanismo
essenziale per l’organizzazione dell’attività irregolare dei neuroni corticali,
che verrebbe così trasformata in regolari frequenze ritmiche. E’ utile
ricordare che questo fenomeno bioelettrico è studiato da tempo in ambiti
diversi da quello neurofisiologico e, in particolare, si è accertato un suo
ruolo importante nell’aritmia cardiaca.
Per
ciò che concerne il sistema nervoso, le onde a spirale sono state osservate
nella corteccia visiva di tartaruga e, in
vitro, in preparati di cervello di roditori, ma l’esistenza di queste onde
nel funzionamento in vivo del
cervello dei mammiferi non è stata dimostrata prima di questo studio condotto
presso la Georgetown University. Pertanto, il primo obiettivo del lavoro di
Huang e colleghi è stato l’esame in vivo
dell’attività elettrica corticale allo scopo di accertare la presenza del
fenomeno bioelettrico e studiarne le caratteristiche.
L’attesa
per l’esito di questi esperimenti è stata accresciuta dai risultati ottenuti in
precedenza, dai quali è emerso che le interazioni eccitatorie locali sono
essenziali, in generale, per sostenere le onde a spirale. Infatti, il fenomeno
si presenta in maniera molto marcata nei preparati
di sezioni cerebrali nei quali dominano le interazioni eccitatorie locali.
Si è quindi supposto che nella corteccia dell’animale vivente, le connessioni
non-locali, quali i fasci talamocorticali e corticotalamici, possano
interrompere i rotori e rendere
insostenibili le onde spiraliformi.
Per
la registrazione elettrofisiologica in
vivo, in ratti Sprague-Dawley (250-400 g, n = 29)[3],
è stata praticata una craniotomia senza rimozione della dura madre, con una finestra
in corrispondenza della corteccia visiva dell’emisfero sinistro, ed è stata
applicata per via transdurale una soluzione con i coloranti sensibili al
voltaggio RH-1691 e RH-1838. Il rilievo EEG è stato ottenuto mediante elettrodo
silver ball. Il campo di osservazione
era circa 4 mm di diametro e la corteccia visiva è stata ripresa mediante 5x macroscope[4].
Per
confrontare i dati ottenuti nell’animale vivo con quelli rilevati sui preparati
è stato allestito uno studio in vitro. Dai ratti Sprague-Dawley P21-35 sono
stati prelevati campioni di corteccia cerebrale consistenti in sezioni sottili
(500 μm) di tessuto corticale ottenute mediante taglio su un piano tangenziale alla superficie e poi colorate con
5-10 μg/ml di NK3630 (Nippon Kankoh-Shikiso Kenkyusho), un colorante
sensibile al voltaggio.
Sono
stati condotti esperimenti in vivo in
due condizioni: 1) stato neurofunzionale determinato dall’induzione
farmacologica di oscillazioni mediante carbacolo/bicucullina, e 2) stato
neurofunzionale simile al sonno, indotto mediante lenta sospensione di
un’anestesia da pentobarbital.
In
entrambe le condizioni funzionali, la dinamica delle onde a spirale è stata
osservata numerose volte nella neocorteccia visiva dei ratti. Un aspetto
particolarmente interessante ed evidente è che i ritmi creati da queste
speciali onde di propagazione influenzavano e includevano l’attività
bioelettrica in corso.
Le
osservazioni condotte durante lo stato simile al sonno hanno evidenziato senza
alcun dubbio che il tasso di frequenza delle onde a spirale è fortemente dipendente
dallo stato cerebrale.
Sebbene
la durata o lifespan sia limitata, le
onde a spirale apparivano in grado di modificare l’attività in corso in vari
modi, determinando variazioni significative nella frequenza di oscillazione, nell’ampiezza
e nella coerenza spaziale.
Questi
dati emergenti dalla sperimentazione suggeriscono che le onde a spirale possono
partecipare all’attività corticale imponendo i propri specifici patterns spaziotemporali ai circuiti
della corteccia cerebrale. Paragonando queste onde di propagazione con quelle
rilevate nei preparati di sezioni sottili in vitro, è emerso che le onde a
spirale in vivo hanno una durata
inferiore, ma il centro della spirale (phase
singularity) si sposta molto più rapidamente, suggerendo che la corteccia
potrebbe avere dei meccanismi per controllare la durata e la localizzazione
delle oscillazioni spiraliformi.
In
conclusione, Xiaoying Huang e i suoi collaboratori hanno dimostrato con
certezza l’esistenza delle onde a spirale nella corteccia cerebrale di roditori
di laboratorio, ed hanno registrato altri dati di assoluto rilievo, che
sicuramente incentiveranno il procedere degli studi. In particolare,si può
osservare che i risultati nel loro complesso supportano l’ipotesi che vuole le
onde a spirale come un pattern di
attività emergente in grado di organizzare e modulare l’attività di popolazioni
corticali in scala mesoscopica e di contribuire sia alla normale elaborazione
corticale, che a schemi di attività patologica come quelli caratteristici delle
varie forme di epilessia.
[1] Per un’introduzione allo studio matematico dei fenomeni bioelettrici corticali si consiglia: G.B. Ermentrout, Neural Oscillators and Dynamical Systems Models, pp.179-187, Encyclopedia of Neuroscience, Elsevier, 2009 [è un articolo che mostra come la teoria qualitativa delle equazioni differenziali (sistemi dinamici) possa essere usata per comprendere le transizioni fra gli schemi di attivazione di singoli neuroni e circuiti].
[2] Winfree A. T., The Geometry of Biological Time. Spriger-Verlag, New York 2001.
[3] Sono state impiegate procedure approvate dall’Animal Care and Use Committee della Georgetown University, secondo le linee-guida dell’NIH.
[4] Per ulteriori dettagli tecnici si rimanda al lavoro originale e a Lippert M. T., et al. Journal of Neurophysiology 98, 502-512, 2007.