OSCILLAZIONE GAMMA:
ORIGINE E RUOLO
Si ritiene che la frequenza elettrica corticale che prende il nome di oscillazione gamma (20-80 Hz; 40 Hz la frequenza più studiata) sia la risultante della sincronizzazione dei picchi di attività degli interneuroni e che abbia un ruolo nell’attenzione e nell’elaborazione sensoriale[1]. Nei decenni passati le maggiori scuole neuroscientifiche hanno condotto studi sul significato fisiologico di questa attività corticale diffusa, con esiti che hanno suscitato interesse anche in ambito teorico: Francis Crick e Christof Koch sostennero che all’oscillazione gamma si potessero ricondurre i processi biologici alla base della coscienza; Gerald Edelman e i suoi collaboratori spiegarono sulla base dei fenomeni di oscillazione sincrona alcuni aspetti della Teoria della Selezione dei Gruppi Neuronici (TSGN). Ma, nonostante oggi si disponga di una notevole mole di dati che prova indirettamente il rapporto della frequenza γ con le attività corticali globali connesse con le prestazioni attentive e l’elaborazione degli stimoli ricevuti, molti ricercatori lamentano la mancanza di evidenze dirette di tali rapporti.
Recentemente due gruppi di ricerca, entrambi guidati
da Deisseroth, hanno dato dimostrazione diretta che la simultanea attivazione
degli interneuroni può indurre oscillazioni gamma
e che queste sono associate all’elaborazione
sensoriale. I due lavori saranno prossimamente pubblicati su Nature, che ne ha anticipato il testo
sul sito web nella versione
elettronica che precede la stampa (Cardin J. A., et al.
Driving
fast-spiking cells induces gamma rhythm and controls sensory responses. Nature [Epub ahead of print], Apr 26,
2009; Sohal V. S., et al. Parvalbumin neurons and
gamma-rhythms enhance cortical circuit performance. Nature [Epub ahead of print], Apr 26, 2009).
Nel primo studio, i ricercatori del McGovern Institute for Brain Research and Department of Brain and Cognitive Sciences, MIT, Cambridge (Massachusetts) e del Department of Neuroscience della University of Pennsylvania (Philadelphia), hanno espresso il canale cationico channelrhodopsin 2, che è attivato dalla luce blu, in interneuroni a picco rapido positivi alla parvalbumina, localizzati nei campi a barile corticali del topo. La stimolazione degli interneuroni con 1 ms di impulsi di luce blu a una frequenza di 40 Hz determinava un’amplificazione della banda γ del potenziale di campo locale (LFP, da local field potential)[2]; per contro la stimolazione a bassa frequenza non produceva alterazioni di LFP.
Questa semplice esperienza dimostra che la stimolazione diretta degli interneuroni a picco rapido è in grado di generare oscillazioni gamma.
Nel secondo studio, i ricercatori del Department of Bioengineering, e del Department of Psychiatry and Behavioural Sciences della Stanford University (California), hanno dimostrato che, in sezioni sottili di cervello di topo, l’uso della luce per attivare gli interneuroni parvalbumina-positivi -in un modo da simulare l’inibizione a feedback- era in grado di evocare oscillazioni gamma nei treni di picchi dei neuroni piramidali post-sinaptici.
Al contrario, l’inibizione indotta dalla luce in questi interneuroni sopprimeva il potenziale LFP nella banda γ in vivo.
Entrambi i gruppi di ricerca hanno poi studiato la rilevanza delle oscillazioni gamma nella corteccia.
Il primo ha proceduto con la registrazione in vivo di singoli neuroni piramidali nei campi a barile della corteccia cerebrale murina e, studiando la deflessione di singole vibrisse, ha rilevato che le oscillazioni gamma possono sincronizzare l’uscita dei neuroni eccitatori: la stimolazione degli interneuroni a 40 Hz aveva effetti ritmici inibitori e permissivi (“gating effect”) sull’output dei neuroni piramidali.
Il secondo ha studiato il modo in cui le oscillazioni gamma indotte indirettamente, interessano la neurotrasmissione dei neuroni piramidali corticali pre-limbici ed infra-limbici agli interneuroni. A questo scopo, sono stati attivati i neuroni piramidali erogando correnti eccitatorie post-sinaptiche simulate, con la conseguenza di un’azione sugli interneuroni risultante in oscillazioni gamma. La frequenza dei successivi picchi di scarica in uscita dei neuroni piramidali è stata confrontata con la frequenza delle correnti post-sinaptiche eccitatorie: la modulazione dell’impulso alla frequenza γ aumentava l’efficienza e riduceva il “rumore” nell’attività delle cellule piramidali. La modulazione a frequenza γ dell’input dei neuroni piramidali riduceva il rumore anche nelle risposte degli interneuroni parvalbumina positivi condotti dall’input piramidale, migliorando la trasmissione del segnale nel circuito neuroni piramidali-interneuroni.
In sintesi, entrambi gli studi propongono un’interessante applicazione della tecnica di stimolazione mediante la luce (optogenetic manipulation), fornendo con tale metodo un’evidenza diretta che gli stati delle reti caratterizzati da oscillazioni gamma sono indotti da interneuroni a picco rapido e che le oscillazioni gamma migliorano il flusso di informazioni nei circuiti corticali.
In fine, si può osservare che lo stretto legame che emerge fra attività gamma ed elaborazione sensoriale può aiutare a comprendere i rapporti intercorrenti fra le alterazioni di questa frequenza ed alcuni sintomi presenti in disturbi mentali come le psicosi schizofreniche e in disturbi pervasivi dello sviluppo come quello autistico.
L’autore della nota invita alla lettura delle
recensioni di argomento connesso pubblicate nelle “Note e Notizie”.
[Tipologia del testo: RECENSIONE]
[1] Da tempo sono state evidenziate alterazioni della frequenza
gamma in varie malattie neurologiche e psichiatriche, e si è cercato di
definire un profilo di alterazione gamma caratteristico di ciascun disturbo.
[2] Il potenziale di campo locale è una misura dell’attività sincronica della
rete locale.