Scoperti assoni sia eccitatori che inibitori fra VTA ed abenula laterale
NICOLE CARDON
NOTE
E NOTIZIE - Anno XII – 27 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]
È stata accolta con notevole interesse la scoperta da parte di un team di ricercatori provenienti da due sezioni di uno dei più importanti istituti dei National Institutes of Health (NIH), il National Institute on Drug Abuse (NIDA), di assoni di neuroni della VTA che possono agire sia da eccitatori sia da inibitori delle cellule dell’abenula laterale. Dopo un comprensibile entusiasmo iniziale, è facile prevedere che gli stessi autori dello studio avranno spunti per riflessioni problematiche da questo nuovo elemento di conoscenza, che aggiunge un elemento di complicazione ai tentativi di interpretare in termini di ruoli neurofisiologici l’intricata complessità dei rapporti fra questi due importanti aggregati neuronici. Anche se, probabilmente, i tanti rompicapi interpretativi dovuti alle connessioni delle due aree e alle evidenze di partecipazione a numerose reazioni e comportamenti si risolveranno solo adottando un cambiamento di prospettiva o di metodo[1], questo nuovo elemento, che suggerisce la possibilità di scegliere fra due azioni opposte da parte degli stessi gruppi di neuroni, dovrà essere preso in considerazione per le esigenze di sistema che rivela.
Qualsiasi sarà la ragione per una scelta funzionale più unica che rara, come quella di sviluppare l’apparato molecolare e cellulare per il rilascio tanto del neurotrasmettitore eccitatorio più importante del sistema nervoso centrale (glutammato) quanto del maggior trasmettitore inibitorio (GABA), dovrà essere considerata con la massima attenzione, perché riguarda la maggioranza dei neuroni dell’area tegmentale ventrale (VTA) che proiettano all’abenula laterale.
Ricordiamo che la deduzione conosciuta come dogma di Dale o legge di Dale, secondo cui un neurone rilascia un unico neurotrasmettitore, sempre lo stesso, da tutti i suoi terminali sinaptici, fu formulata da Dale nel 1935, ossia mezzo secolo prima delle dimostrazioni relative alla possibilità che neuropeptidi diversi fossero rilasciati dalla stessa sinapsi, ed ancora tanto tempo prima che fossero individuate, nel sistema nervoso dei mammiferi, sinapsi con un mediatore principale costituito da un’ammina biogena o da acetilcolina ed un neuromodulatore peptidico[2]. Tuttavia, si deve notare che l’intuizione di Dale, anche se non può più considerarsi alla stregua di un dogma assoluto, può ancora ritenersi una regola generale, con un certo numero di eccezioni che, allo stato attuale delle nostre conoscenze, rappresenta una quota molto bassa sul totale delle sinapsi[3].
La dimostrazione, mediante metodi per tracciare i tratti assonici, microscopia elettronica, tecniche optogenitiche ed individuazione dei markers molecolari, in singoli assoni provenienti dalla VTA, di terminali con entrambi i trasmettitori e formanti sinapsi simmetriche ed asimmetriche con i neuroni abenulari, rimane un risultato di assoluto interesse (Root D. H., et al. Single rodent mesohabenular axons release glutamate and GABA. Nature Neuroscience – Epub ahead of print doi:10.1038/nn.3823, 2014).
La provenienza degli autori dello studio è la seguente: Neuronal Networks Section, Integrative Neuroscience Research Branch, National Institute on Drug Abuse (NIDA), Baltimore, Maryland (USA); Electrophysiology Research Section, Cellular Neurobiology Research Branch, National Institute on Drug Abuse (NIDA), Baltimore, Maryland (USA).
L’abenula laterale è una piccola ma interessante area nucleare il cui ruolo è stato messo in relazione con gli effetti della ricompensa, con l’avversione, con processi legati alla dipendenza da sostanze psicotrope (addiction) e con la fisiopatologia della depressione. Tale partecipazione funzionale sembra realizzarsi attraverso interazioni discendenti con diverse strutture encefaliche, fra cui sembra avere una particolare importanza l’area tegmentale ventrale (VTA).
I nuclei dell’abenula sono siti posteriormente all’angolo dorsomediale del talamo, nell’immediata profondità dell’ependima del terzo ventricolo, con la stria midollare del talamo disposta sopra e lateralmente. All’osservazione mediante microscopio ottico, il nucleo dell’abenula mediale si presenta come una massa di neuroni colinergici densamente compressi e intensamente colorati; il nucleo dell’abenula laterale appare invece più chiaro e costituito da neuroni più distanziati. La massima parte delle vie afferenti alle abenule giunge all’abenula laterale. Molte fibre passano attraverso la stria midollare e giungono dalla corteccia prepiriforme bilateralmente, dal nucleo basale di Meynert e dall’ipotalamo. Assoni afferenti dal segmento interno del globo pallido sembrano essere collaterali della via pallidotalamica. Altri neuriti giungono all’abenula laterale dalla parte compatta della sostanza nera mesencefalica, dal nucleo del rafe del mesencefalo e dal nucleo tegmentale laterale dorsale. Le fibre efferenti sono numerose, con varie destinazioni e ruoli funzionali presumibilmente diversi. L’abenula laterale, oltre che all’ipotalamo e al proencefalo basale, invia assoni ai nuclei del rafe, alla formazione reticolare del mesencefalo, alla parte compatta della sostanza nera mesencefalica e all’area tegmentale ventrale (VTA). Le principali vie in uscita dall’abenula raggiungono il nucleo interpeduncolare del mesencefalo, il nucleo mediodorsale del talamo, il tetto del mesencefalo e la formazione reticolare[4]. La maggior parte di queste fibre va a costituire il tratto abenulo-interpeduncolare che fornisce relays con la formazione reticolare mesencefalica dalla quale i tratti tetto-tegmento-spinali e il fascicolo longitudinale dorsale si collegano con i neuroni pregangliari dell’autonomo che controllano la salivazione, la motilità e la secrezione gastrointestinale e i nuclei motori della masticazione e della deglutizione.
Sebbene si sia compreso poco del ruolo neurofisiologico delle abenule, sulla base di numerose evidenze sperimentali è stata suggerita la partecipazione al controllo dei meccanismi del sonno. Lesioni cerebrali includenti l’abenula (danni del diencefalo mediale) indicano che quest’area interviene nella regolazione di funzioni viscerali e neuroendocrine. L’ablazione chirurgica dell’abenula determina alterazioni del metabolismo, dell’equilibrio endocrino e della termoregolazione dell’organismo.
Per quanto riguarda l’area tegmentale ventrale (VTA), rimandando ogni dettaglio anatomico e funzionale alle trattazioni specialistiche, ci limitiamo a ricordare l’importanza del suo ruolo nel “sistema a ricompensa” cerebrale, nel comportamento motivato e nella rete di aree che col nucleo accumbens interviene nel determinare gli stati funzionali tipici della dipendenza da sostanze psicotrope. La VTA presenta un pattern di connessione reciproca con l’abenula laterale, ma il significato di questo collegamento non è chiaro.
Prima di proporre una sintesi del lavoro qui recensito, vorrei brevemente approfondire la questione dei due neurotrasmettitori rilasciati da uno stesso assone, riprendendo quanto riportato in una nota di recensione dello scorso anno.
“In realtà, Henry Hallet Dale[5], sulla base di numerose osservazioni, nel 1935 aveva concluso che una cellula nervosa rilascia la stessa sostanza chimica da tutti i suoi terminali sinaptici. Nel tempo, questa affermazione sostanzialmente corretta, ha dato luogo a due nozioni erronee: la prima è che l’azione di un neurone sia identica su tutte le cellule post-sinaptiche, la seconda è che ad ogni neurone corrisponda sempre un unico trasmettitore. Quest’ultima deduzione è stata proposta spesso nei manuali e nella didattica, fino a tempi recenti, come legge, regola o addirittura dogma di Dale. Studi condotti negli anni Sessanta su Aplysia, avevano già dimostrato che lo stesso neurone nei molluschi poteva esercitare un effetto inibitorio su un neurone ed eccitatorio su un altro; negli anni Settanta, Hökfelt e colleghi, presentarono le prime evidenze del rilascio di uno o più neuropeptidi con un trasmettitore convenzionale[6]. Attualmente, i casi noti di doppio trasmettitore, uno dei quali peptidico, sono vari: si pensi alla sinergia fra peptide vasoattivo intestinale (VIP) ed acetilcolina (ACh), al rilascio del peptide correlato al gene della calcitonina (CGRP) da parte dei motoneuroni colinergici spinali, e al caso particolare dei neuroni ippocampali che esercitano azione eccitatoria rilasciando glutammato e inibitoria mediante dinorfina.
Ma, come più sopra accennato, attualmente il maggior interesse non è per la coesistenza di un peptide con un neurotrasmettitore che caratterizza istochimicamente e farmacologicamente una via nervosa, ma per la presenza contemporanea di due di queste molecole, come ad esempio, avviene nel caso della popolazione di neuroni che proietta allo striato ventrale rilasciando contemporaneamente dopamina e glutammato[7]: a questo rilascio doppio sono state attribuite importanti implicazioni nella modulazione del comportamento motivato.
[…]
Si comprende che i neuroni che biosintetizzano ed impiegano due neurotrasmettitori, l’uno rapido come GABA e glutammato e l’altro lento come la dopamina, siano particolarmente interessanti, perché attivi secondo due diversi profili di processo, che presumibilmente fondano una valenza duplice nella segnalazione”[8].
Ma torniamo al lavoro condotto per conto del NIDA da David H. Root e colleghi.
Le immagini osservate mediante microscopia elettronica presentavano caratteri morfologici tali da suggerire ai ricercatori la possibilità della coesistenza dei due assetti funzionali. La verifica sperimentale ha richiesto l’impiego di tecniche e metodi per l’identificazione di molecole necessarie e specifiche per ciascun tipo di neurotrasmissione e, pertanto, in grado di fungere da marker del tipo neurochimico di sinapsi.
Sono stati studiati i neuroni di ratto e di topo e, in entrambi gli animali, gli assoni dei neuroni della VTA innervanti l’abenula laterale esprimevano allo stesso tempo VGluT2 (vesicular glutamate transporter 2), tipico marker della segnalazione eccitatoria glutamatergica, e GAD (glutamic acid decarboxylase) e VGaT (vesicular GABA transporter), due tipici contrassegni della neurotrasmissione inibitoria gabaergica.
L’osservazione analitica ha mostrato che un singolo assone di queste cellule nervose mesoabenulari co-esprime la proteina VGluT2 e la proteina VGaT e, sorprendentemente, termina formando sinapsi simmetriche ed asimmetriche con i neuroni dell’abenula laterale come cellule post-sinaptiche.
Risultati di chiara evidenza hanno dato gli esperimenti condotti con metodica optogenetica. In sezioni sottili del nucleo laterale dell’abenula, l’attivazione mediante luce delle fibre mesoabenulari (provenienti dalla VTA) esprimenti channelrhodopsin2 guidata dai promotori VGluT2 (Slc17a6) o VGaT (Slc32a1) induce il rilascio sia di glutammato che di GABA su singoli neuroni dell’abenula laterale. In vivo, sono stati effettuati esperimenti optogenetici che hanno parimenti consentito di determinare mediante la luce sia l’attivazione che l’inibizione di cellule dell’abenula laterale da parte dei terminali sinaptici mesoabenulari.
In conclusione, si deve rilevare che, a conoscenza di chi scrive, nessun ricercatore aveva anticipato fino ad oggi l’esistenza di neuroni nella VTA con capacità dei trasmissione doppia e opposta ai neuroni dell’abenula.
L’autrice della nota ringrazia la
dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invita alla
lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE
E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).
[1] Si ricorda la tesi del nostro presidente, Giuseppe Perrella, secondo il quale una parte considerevole dell’organizzazione funzionale del sistema nervoso centrale non si presta al semplice processo di logica interpretativa che consiste nell’attribuire a formazioni anatomicamente distinte ruoli basati su concetti funzionali intuitivi o riferiti a macrofunzioni dell’animale. Per capire il ruolo effettivo di molte strutture è probabilmente utile risalire alla loro origine nella filogenesi e cercare di comprendere, attraverso le vicissitudini adattative ed evolutive, come sia mutato il senso della loro partecipazione alle funzioni globali, magari rinunciando ai criteri convenzionali ed intuitivi, e cercando di identificarne di nuovi attraverso la formulazione di ipotesi e l’esecuzione paziente delle verifiche sperimentali necessarie.
[2] L’approfondimento delle conoscenze ha indotto la maggior parte dei ricercatori a considerare la presenza dei peptidi accanto ad un neurotrasmettitore convenzionale, come l’espressione di una funzione ancillare, che non altera la caratterizzazione della sinapsi basata sul mediatore principale (dopamina, serotonina, acetilcolina, glutammato, GABA, istamina, ecc.) ma si limita a modularne gli effetti.
[3] Per eccezioni alla regola di Dale intendiamo la presenza di più neurotrasmettitori principali, in grado di produrre effetti elettrochimici equivalenti per intensità. Ho recensito uno studio interessante su uno di questi casi nel febbraio 2013: la contemporanea presenza di apparati per sintesi e rilascio di GABA (inibitorio e rapido) e dopamina (eccitatorio e più lento). Si invitano i visitatori del sito a cercare nella sezione “NOTE E NOTIZIE” del nostro sito altre recensioni di lavori che documentano questa “coabitazione”.
[4] Per una descrizione completa si rimanda alle trattazioni più recenti di neuroanatomia.
[5] Amico fraterno di Elliot, scopritore della natura adrenergica della trasmissione simpatica (1904), Dale fu con lui allievo di J. Newport Langley, che aveva individuato la presenza di una mediazione chimica per la trasmissione sinaptica, ed era collega a Cambridge di Sherrington, al quale si deve l’introduzione del termine sinapsi e la comprensione di meccanismi neurofisiologici fondamentali come l’innervazione reciproca che, su base inibitoria, determina la coordinazione fra muscoli agonisti ed antagonisti (v. “Inhibition as a Coordinative Factor” conferenza per il Premio Nobel ricevuto nel 1932).
[6] Per “trasmettitore convenzionale” si intendevano l’acetilcolina (ACh), le amine biogene (dopamina, adrenalina, nor-adrenalina, serotonina e istamina) e il GABA. Oggi si riconoscono oltre cinquanta molecole con funzione di mediatore dell’impulso nervoso nei mammiferi.
[7] È stato dimostrato che la captazione del glutammato accresce l’immagazzinamento delle monoammine, aumentando il gradiente di pH che guida il trasporto vescicolare monoamminico: un nuovo meccanismo presinaptico per la regolazione delle dimensioni dei “quanti” di neurotrasmettitore (quantal size regulation). Per il dettaglio di tutti gli esempi citati, si rimanda alla bibliografia riportata al termine di “Perrella G. & Cardon N., Appunti di neurotrasmissione. BM&L, Firenze 2012” (relazione ad uso dei nuovi soci afferenti ai gruppi di neurobiologia).
[8] Si raccomanda la lettura di questa nota per l’interessante caso dei neuroni che rilasciano GABA e dopamina: Note e Notizie 16-02-13 Nei neuroni con due trasmettitori modi diversi per dopamina e GABA.