Il cervelletto rivela i segreti delle sinapsi ultrarapide
DIANE RICHMOND & GIOVANNI ROSSI
NOTE
E NOTIZIE - Anno XII – 20 settembre 2014.
Testi pubblicati sul sito
www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind
& Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a
fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta
settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in
corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento rientra negli
oggetti di studio dei soci componenti lo staff
dei recensori della Commissione
Scientifica della Società.
[Tipologia del testo: RECENSIONE]
La trasmissione sinaptica ultrarapida è un affascinante e per molti aspetti ancora misterioso processo, che ha un ruolo cardine nell’elaborazione veloce dell’informazione nel sistema nervoso centrale. Questo interessante argomento è stato in passato affrontato con competenza dalla professoressa Nicole Cardon[1]. Si rimanda a quegli scritti e alle rassegne pubblicate su questo argomento dalle maggiori riviste per una introduzione, qui ci limitiamo a presentare un nuovo studio condotto da Andreas Ritzau-Jost, Igor Delvendahl, Annika Rings ed altri colleghi.
I ricercatori hanno analizzato delle sinapsi formate con i granuli cerebellari nello strato ricevente (input layer) della corteccia del cervelletto, dove in precedenza sono state registrate, in vivo, delle raffiche di scarica a frequenze straordinariamente elevate. Lo scopo era, in primo luogo, quello di accertare a quale frequenza i potenziali d’azione riuscissero ancora a propagarsi determinando con efficacia l’esocitosi del neurotrasmettitore e, dunque, la segnalazione fisiologica. In secondo luogo, si volevano analizzare i meccanismi presinaptici per avviare una comprensione del processo al livello ultrastrutturale e molecolare.
Un processo
neurotrasmissivo “affidabile” è stato rilevato e documentato alla frequenza di
1 kHz, ed è stato registrato un potenziale d’azione la cui emi-durata era di
circa 100 μs (Ritzau-Jost A., et al. Ultrafast Action
Potentials Mediate Kilohertz Signaling at a Central Synapse. Neuron – Epub ahead of print doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.neuron.2014.08.036,
2014).
La provenienza degli autori dello studio
è la seguente: Carl-Ludwig-Institute for Physiology, Medical Faculty,
University of Leipzig, Leipzig (Germania); European Neuroscience Institute,
Göttingen (Germania); Institute of Science and Technology Austria,
Klosterneuburg (Austria); Department of Neurogenetics, Max-Plank-Institute for
Experimental Medicine, Hermann-Rein-Strasse, Göttingen (Germania).
La sede del nevrasse in cui sono state scoperte e studiate in vivo sinapsi ultrarapide, caratterizzate dallo sviluppo di potenziali d’azione ad una frequenza incomparabilmente più elevata di quella delle sinapsi centrali medie, è la corteccia del cervelletto.
Il cervelletto, struttura di forma grossolanamente sferoidale costituita da due emisferi simmetrici, appiattita in alto in corrispondenza di una lamina meningea detta tentorio e lievemente ristretta nel mezzo in corrispondenza di una sua formazione mediana chiamata verme cerebellare, si unisce al tronco encefalico mediante tre grossi peduncoli pari e simmetrici che contengono le vie nervose in entrata e in uscita. Il cervelletto, che volumetricamente rappresenta il 10% dell’encefalo ma contiene la metà dei neuroni encefalici, è stato a lungo considerato come una struttura implicata esclusivamente nel controllo della postura e del movimento. La ricerca sulla sua fisiologia sta rivelando, invece, una partecipazione specializzata a molte funzioni[2], oltre al controllo correttivo del movimento e all’apprendimento motorio. La sua anatomia, allo stesso tempo complessa e straordinariamente regolare, è costituita da una ripetuta serie di unità, ciascuna delle quali contiene lo stesso microcircuito di base.
Una tradizionale ripartizione che segue un criterio anatomofunzionale ed evoluzionistico distingue un vestibulocerebellum, costituito dal lobo flocculonodulare, filogeneticamente primitivo, già presente nei pesci e importante negli aggiustamenti necessari per i tuffi; uno spinocerebellum ricevente impulsi somatosensoriali e propriocettivi dal midollo spinale, che comprende il verme e le parti intermedie degli emisferi ed appare successivamente nella filogenesi; un cerebrocerebellum filogeneticamente più recente, costituito dalle parti laterali degli emisferi cerebellari in stretto rapporto con la corteccia cerebrale e massimamente espanso nella nostra specie[3].
Regioni diverse del cervelletto ricevono proiezioni da parti diverse del midollo spinale e dell’encefalo ed inviano fibre a sistemi diversi; tuttavia, la similarità dell’architettura e della fisiologia di tutte le regioni del cervelletto fa ritenere che tutto l’organo esegua operazioni computazionali simili per tutti i sistemi ai quali fornisce il suo contributo.
Il microcircuito cerebellare di base, che rappresenta l’unità sulla quale si fonda tutta l’organizzazione funzionale, ha una stupefacente architettura cellulare che ha impegnato per decenni i ricercatori nel tentativo di decifrare l’esatto rapporto fra struttura e funzione. Quattro aspetti sembrano particolarmente rilevanti: 1) i neuroni nella corteccia cerebellare sono organizzati in tre strati; 2) due sistemi di fibre afferenti codificano l’informazione in maniera diversa; 3) le vie parallele effettuano una comparazione fra segnali eccitatori e inibitori; 4) a vari livelli sono presenti anelli di controllo ricorrenti (recurrent loops).
Lo strato ricevente la segnalazione in entrata della corteccia del cervelletto è stato oggetto dello studio di Andreas Ritzau-Jost, Igor Delvendahl, Annika Rings[4] e vari altri colleghi. Nelle sinapsi ultrarapide descritte in questa lamina di tessuto neuronico, i ricercatori hanno provato ad accertare quale sia la massima frequenza di segnalazione neuronica ed hanno indagato i meccanismi presinaptici responsabili del fenomeno fisiologico di potenziali d’azione generati a tale vertiginosa velocità.
I ricercatori hanno effettuato registrazioni appaiate di bottoni presinaptici di fibre muscoidi cerebellari e di granuli post-sinaptici. Ricordiamo, in proposito, che i neuroni detti “granuli” per la loro morfologia, sono cellule di 4-5 micron di diametro con 4-6 dendriti che si dipartono dal corpo cellulare diramandosi in modo regolare e terminando ad uncino.
Le registrazioni appaiate dell’attività elettrica pre- e post-sinaptica, hanno fatto rilevare dati che depongono a favore di una neurotrasmissione efficace fino a ~1kHz. L’analisi elettrica dello straordinario complesso di eventi biochimici e biofisici che assicura una così alta produzione di potenziali sulla membrana del neurone trasmittente, ha rivelato che i potenziali d’azione ordinariamente generati sulla membrana di questi assoni sono ultrarapidi, con una emi-durata di ~100 μs .
Naturalmente, di interesse almeno pari a quello relativo alla frequenza dei potenziali d’azione, è il quesito inerente i meccanismi molecolari che consentono una così rapida ripolarizzazione. I ricercatori hanno accertato che sia i canali ionici del potassio Kv1 che i Kv3 intervengono nel mediare i processi di ripolarizzazione ultrarapida: inattivando rapidamente i canali ionici del sodio (Na+) assicurano efficienza metabolica, e un lieve ampliamento del potenziale d’azione si verifica durante raffiche che giungono fino a 1.5 kHz.
L’analisi ha anche rivelato che i canali del calcio presinaptici Cav2.1 (tipo P/Q) si aprono con notevole efficienza durante lo sviluppo dei potenziali d’azione ultrarapidi.
Lo studio delle dinamiche ultrastrutturali ha poi evidenziato importanti aspetti della neurotrasmissione attuata a questa velocità. Andreas Ritzau-Jost e colleghi hanno individuato un sottoinsieme di vescicole sinaptiche molto strettamente accoppiate ai canali del Ca2+ ed hanno poi rilevato che in prossimità dei siti di rilascio avviene un rapidissimo reclutamento di vescicole sinaptiche per l’esocitosi immediata.
L’insieme dei dati emersi in questo studio, per il cui dettaglio si rimanda alla lettura integrale del testo del lavoro originale, rivela i meccanismi della genesi presinaptica dei potenziali d’azione e del rilascio dei neurotrasmettitori sottostanti la segnalazione neuronica in kHz.
Gli autori della nota ringraziano
la dottoressa Floriani per la correzione della bozza ed invitano alla lettura
delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE E
NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).
[1] Al seminario permanente sulle sinapsi e in altre occasioni, con lezioni e relazioni delle quali rimangono trascrizioni a disposizione dei soci.
[2] Non è superfluo notare che alcune acquisizioni sulla fisiologia cerebellare, delle quali parlava il nostro presidente già in un’intervista di 11 anni fa (si veda: Intervista a Giuseppe Perrella nella sezione “RUBRICHE” del sito, alla voce “INTERVISTE”), non sono ancora riportate dai libri di testo attualmente impiegati nelle facoltà mediche.
[3] Nell’anatomia descrittiva classica questa ripartizione anatomo-funzionale si riteneva perfettamente coerente con quella operata su base filogenetica, che riconosceva un archicerebellum, un paleocerebellum ed un neocerebellum. Tale distinzione, che ad uno studio più approfondito ha rivelato molte eccezioni, è stata abbandonata dalla maggior parte degli autori.
[4] I tre ricercatori citati sono considerati primi autori del lavoro a “pari merito”.