LA SCOPERTA DEI SITI DI
RILASCIO LUNGO GLI ASSONI
Alla luce delle più recenti acquisizioni, molti principi e concetti su cui si è fondata per decenni la visione complessiva della fisiologia del sistema nervoso, si sono rivelati fallaci o hanno perso il loro valore assoluto, cadendo l’uno dopo l’altro quali fossero tabù o preconcetti di una vecchia cultura. Due sole delle tante scoperte di questi ultimi anni, ossia la neurogenesi nel cervello adulto e le sinapsi della glia, sono sufficienti ad illustrare la portata degli eventi che impongono una revisione ed una rielaborazione del quadro teorico e concettuale nel quale si inscrive il significato dei risultati sperimentali. Intanto, si può dire che la rivoluzione continua con la scoperta di una forma di neurotrasmissione extra-sinaptica fra assoni e precursori gliali.
La neurobiologia classica descrive la neurotrasmissione come un processo che si verifica mediante complessi meccanismi ed apparati molecolari presenti nelle strutture specializzate della sinapsi. In questa visione, le giunzioni eccitatorie rapide sono caratterizzate dalla presenza di vescicole di neuromediatore presso i siti di rilascio della membrana presinaptica e sono considerate una prerogativa esclusiva della sostanza grigia. Dati recenti avevano indicato la presenza di segnalazione eccitatoria glutammatergica nella sostanza bianca, inducendo molti ricercatori ad accertarne l’origine e le caratteristiche.
Due gruppi di ricerca indipendenti hanno scoperto
siti di rilascio lungo gli assoni, fuori dell’apparato giunzionale e lontani
dai corpo cellulari e dai dendriti dei neuroni della sostanza grigia (Kukley M., Capetillo-Zarate E. & Dietrich D.
Vescicular glutamate release from axons in white matter. Nature Neuroscience 10, 311-320,
2007; Ziskin J. L., Nishiyama A., Rubio M., Fukaya M. & Bergles D. E.
Vescicular release of glutamate from unmyelinated axons in white matter. Nature
Neuroscience 10, 321-330, 2007).
I ricercatori di entrambi i gruppi hanno dato inizio alla loro ricerca valutando le correnti di membrana mediante patch-clamp di precursori di oligodendrociti (OPC) in sezioni sottili di corpo calloso di ratto. La stimolazione elettrica degli assoni presenti nel preparato, generava negli OPC correnti dirette verso l’interno, indicando che il potenziale d’azione determinava il rilascio di glutammato. La caratterizzazione delle correnti ha consentito di accertare che il recettore presente sulla membrana ricevente delle cellule gliali era di tipo AMPA.
I risultati di entrambi i gruppi evidenziano che nei ratti in corso di sviluppo e in età giovanile, solo i recettori impermeabili al calcio generano queste risposte; i ricercatori guidati da Ziskin hanno riscontrato che nel ratto adulto anche gli AMPA Ca2+-permeabili sono attivati dall’acido glutammico rilasciato dai neuriti al di fuori di un terminale sinaptico. Entrambi gli studi hanno rilevato che gli assoni privi di mielina sono quelli principalmente responsabili della genesi di correnti negli OPC.
Maria Kukley e i suoi colleghi del laboratorio di neurofisiologia sperimentale presso il dipartimento di Neurochirurgia dell’Università di Bonn, hanno dimostrato che la stimolazione ripetuta comporta un rilascio sostenuto nel tempo, fenomeno possibile solo in presenza di aree specializzate in questa funzione.
Entrambi i gruppi, mediante la microscopia elettronica, hanno osservato vescicole accumulate presso la membrana degli assoni in corrispondenza dei punti di contatto con le cellule OPC.
Ziskin e collaboratori hanno dimostrato che questi contatti sono glutammatergici e presentano caratteristiche in comune con le sinapsi della materia grigia. La cinetica rapida delle correnti che si generano nelle OPC, indica che il glutammato è rilasciato mediante la fusione delle vescicole. Il gruppo americano ha dimostrato che il rinforzo farmacologico della fusione vescicolare accresceva l’ampiezza delle correnti che, invece, si riduceva inibendo il riempimento delle vescicole. Immergendo gli assoni in un bagno di colorante fluorescente, il team della Kukley ha dimostrato che ha luogo un riciclo di vescicole endocitotiche ed esocitotiche.
Il rilascio di glutammato dagli assoni ha alcuni elementi in comune con la neurotrasmissione sinaptica.
Negli assoni i canali del Ca2+ regolati dal voltaggio possono elevare la concentrazione intracellulare di calcio tanto da innescare il rilascio delle vescicole. I ricercatori americani hanno dimostrato che, bloccando i canali del calcio, si aboliva il rilascio del trasmettitore. Elemento sicuramente significativo è che il rapporto fra il livello di calcio e l’emissione di glutammato è simile a quello delle sinapsi.
L’esocitosi di acido glutammico è altamente sincronizzata con la genesi del potenziale d’azione: ciò indica che le vescicole sono in stretta prossimità dei microdomini di calcio che circondano questi canali.
Un altro elemento in comune con la neurotrasmissione sinaptica è stato rilevato dal gruppo americano: la stimolazione ripetuta facilita il rilascio di glutammato, che è invece depresso dall’attivazione degli autorecettori presenti sulla membrana dell’assone.
Fin qui i risultati ottenuti lavorando su sezioni di corpo calloso, ma i ricercatori di Bonn hanno voluto verificare l’esistenza di questo processo in altre aree del sistema nervoso centrale. A tale scopo i colleghi della Kukley hanno studiato quel fascio di sostanza bianca dell’encefalo emergente dalla retina che, seguendo la nomenclatura anatomica, chiamiamo nervo ottico.
Anche qui è stato possibile rilevare il rilascio di vescicole di neurotrasmettitore lungo gli assoni, lontano dai terminali sinaptici ed agente sui recettori di cellule della glia.
Il riscontro nel nervo ottico ha indotto i ricercatori tedeschi ad ipotizzare che il processo di neurotrasmissione extra-sinaptica sia un fenomeno presente in tutta la sostanza bianca.
In questa breve trattazione si è voluto dar conto, in parallelo, dei risultati dei due studi che hanno individuato e caratterizzato per la prima volta un nuovo processo di segnalazione, seguendo le tracce di numerose ricerche che avevano aperto la strada negli anni passati. In proposito si deve rilevare che uno dei due gruppi fa capo alla scuola di Bergles, la stessa che due anni or sono aveva identificato le sinapsi glutammatergiche fra collaterali delle fibre rampicanti dei neuroni del nucleo olivare inferiore e i precursori degli oligodendrociti esprimenti il proteoglicano NG2 (si veda Note e Notizie 10-09-05 Scoperte sinapsi delle fibre rampicanti con la glia, in cui si recensisce il lavoro di Lin e collaboratori condotto, come quello di Ziskin, nel laboratorio di neuroscienze di Bergles alla Johns Hopkins University School of Medicine di Baltimore nel Maryland: Lin S. C. et al.: Climbing fiber innervation of NG2-expressing glia in the mammalian cerebellum. Neuron 46, 773-785, 2005).
L’interpretazione del significato fisiologico dei siti di rilascio dell’assone ci riporta a quanto affermato nell’introduzione perciò, se è immediato ed intuitivo supporre che i messaggi dall’assone alle cellule OPC abbiano un ruolo nella regolazione della mielinizzazione dipendente dall’uso, sarà necessario attendere la formulazione di un quadro concettuale complessivo perché questa nuova tessera abbia la giusta collocazione in un mosaico che riformuli le basi molecolari e cellulari della fisiologia cerebrale.
Ulteriori approfondimenti possono essere chiesti
direttamente a Maria Kukley scrivendole all’indirizzo e-mail dell’Università di
Bonn: maria.kukley@gmx.de
Gli autori ringraziano Isabella Floriani che ha
sintetizzato in questa nota il testo da loro presentato ai soci di BM&L-Italia.