Scoperto meccanismo temporale nelle cellule di Purkinje
che muta la visione corrente
NICOLE CARDON
NOTE
E NOTIZIE - Anno XII – 18 ottobre 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]
Il cambiamento netto che risulta
quando le due
aree sono stimolate contemporaneamente
è una
somma algebrica degli effetti del plus e del minus.
[Sherrington,
1908][1]
La concezione della segnalazione neurale attualmente dominante in neurobiologia e neurofisiologia è incentrata sulla sua natura di influenza esercitata da un neurone su una cellula bersaglio. Tale influenza può consistere in una eccitazione o in una inibizione. Su questa base, una parte notevole dell’indagine sperimentale è consistita, e consiste tuttora, nel riconoscimento e nella descrizione di neuroni, circuiti e sistemi, quali unità eccitatorie o inibitorie. Uno schematismo di estrema utilità ed efficacia negli anni fondativi della neurobiologia, ma che in qualità di standard ha forse rallentato la comprensione delle funzioni modulatorie e dell’intervento della glia (sinapsi tripartita).
Un corollario della concezione schematica classica è che l’apprendimento consiste in una variazione dell’efficacia sinaptica, in senso positivo mediante un rinforzo (LTP), in senso negativo mediante un indebolimento (LTD).
La straordinaria ricchezza dei dati ottenuti nello studio delle basi neurali della memoria e il comportamento elettrico di alcuni tipi neuronici, hanno indotto molti ricercatori a diffidare del valore esaustivo del criterio quantitativo.
Dati raccolti in numerosi studi hanno suggerito l’impiego delle cellule di Purkinje del cervelletto per studiare questo aspetto.
Fredrik Johansson e colleghi hanno addestrato neuroni di Purkinje all’apprendimento di risposte condizionate, ed hanno studiato il cambiamento della responsività allo stimolo durante l’apprendimento di tali risposte. In tal modo, hanno accertato che queste cellule possono imparare la relazione temporale esistente fra due stimoli appaiati. Più specificamente, i neuroni di Purkinje imparano a rispondere ad un particolare tempo che corrisponde all’intervallo temporale fra i due stimoli.
L’apparente
semplicità nell’esposizione dell’esito sperimentale non inganni: questo dato
potrebbe cambiare radicalmente la visione corrente sia della segnalazione neurale
che dell’apprendimento (Johansson F., et al. Memory trace and
timing mechanism localized to cerebellar Purkinje cells. Proceedings of the National Academy of Sciences USA – Epub ahead
of print doi:10.1073/pnas.1415371111, 2014).
La provenienza
degli autori è la seguente: Associative Learning Group, Department of
Experimental Medical Science, Lund University, Lund (Svezia);
The Linnaeus Center Thinking in Time: Cognition, Communication and Learning,
Lund University, Lund (Svezia); Laboratory for Synthetic
Perceptive, Emotive and Cognitive Systems, Department of Information and
Communications Technologies, Universitat Pompeu Fabra, Barcelona (Spagna).
[Editor:
Charles R. Gallistel, Rutgers University, Piscataway,
New Jersey (USA)].
Prima di esporre in sintesi i risultati dello studio, qui di seguito si propongono alcune nozioni introduttive sulle cellule di Purkinje e sull’origine della visione standard del rapporto fra segnalazione e memoria.
I neuroni di Purkinje sono delle grandi cellule nervose dalla inconfondibile morfologia, fortemente caratterizzata dai dendriti a spalliera e dal corpo cellulare conformato a vaso, dal quale discende il lungo cilindrasse[2]. Costituiscono lo strato medio dei tre strati di cui si compone la corteccia cerebellare, il più profondo essendo lo strato granulare, e il più superficiale, lo strato molecolare. Lo strato delle cellule di Purkinje è la struttura di output, in altri termini la parte della corteccia del cervelletto che elabora i segnali in uscita. E’ costituito da una lamina di pirenofori dal diametro che varia dai 50 agli 80 μm. I dendriti si estendono verso l’alto nello strato molecolare, dove ricevono l’input dal secondo tipo di fibre principali afferenti del cervelletto, le fibre rampicanti, ma anche da assoni di interneuroni che realizzano l’inibizione dell’inibizione.
Gli assoni delle cellule di Purkinje conducono tutta l’informazione in uscita dalla corteccia cerebellare, proiettando ai nuclei profondi della sottostante sostanza bianca del cervelletto o ai nuclei vestibolari nel tronco encefalico, dove il GABA rilasciato svolge un’efficace e rilevante azione inibitoria.
Nel 1973 Timothy Bliss e Terje Lomø scoprirono che, erogando brevi treni di stimoli ad alta frequenza sulle membrane dei neuroni della via trisinaptica ippocampale[3], si determinava il persistere della neurotrasmissione per un tempo straordinariamente protratto. Ripetendo l’esperimento nell’animale vivo con elettrodi impiantati, si rilevava che, cessato lo stimolo, l’attivazione dei neuroni dell’ippocampo sorprendentemente permaneva per settimane. Il fenomeno fu chiamato potenziamento a lungo termine (LTP, da long-term potentiation) e considerato il primo correlato elettrico della memoria al livello cellulare. Studi seguenti portarono all’identificazione del fenomeno opposto, cioè una depressione sinaptica di lunga durata (LTD, da long-term depression)[4]. Studi successivi dimostrarono che il potenziamento sinaptico non avviene mediante un singolo tipo di plasticità, ma esiste una famiglia di LTP con meccanismi molecolari e cellulari diversi, ed alcuni caratteri comuni.
A partire da queste acquisizioni, le basi neurofunzionali della memoria e dell’apprendimento sono state studiate sempre in termini di aumento o riduzione della forza sinaptica, dell’entità e della durata della neurotrasmissione. Il modo stesso di intendere la segnalazione neuronica è stato influenzato da questa riduzione alla dimensione quantitativa, e non si è considerata la possibilità che particolari configurazioni degli stimoli in rapporto al tempo potessero avere rilievo fisiologico.
La temporizzazione della risposta appresa si ritiene che combini la plasticità con inputs temporalmente configurati che giungono al neurone.
Fredrik Johansson e colleghi hanno analizzato le risposte al training di neuroni cerebellari del furetto. Lo studio dimostra che una cellula di Purkinje può imparare a rispondere ad uno specifico input con un pattern temporale di attività consistente in incrementi e decrementi temporalmente specifici nell’accensione, durante centinaia di millisecondi senza un input temporalmente configurato. In altre parole, durante l’addestramento dei neuroni cerebellari all’apprendimento di risposte, è risultato evidente che queste cellule potevano apprendere il rapporto temporale esistente fra due stimoli accoppiati. Le cellule, infatti, imparano a reagire ad un particolare tempo che corrisponde all’intervallo fra gli stimoli appaiati.
L’addestramento delle cellule di Purkinje con la diretta stimolazione degli afferenti immediati, le fibre parallele, e il blocco farmacologico degli interneuroni, mostra che il meccanismo di temporizzazione è intrinsecamente presente nella cellula stessa.
Concludendo, dall’insieme della sperimentazione, per il cui dettaglio si rinvia alla lettura del testo integrale dell’articolo originale, è risultato evidente che i neuroni di Purkinje del cervelletto possono imparare a rispondere non solo con accresciuta o ridotta frequenza di scarica, ma anche con un pattern di attività temporizzata adattativamente.
In attesa di verifiche e conferme da altri gruppi di ricerca, è difficile dissentire da quanto affermato dagli autori dello studio: questi risultati cambiano radicalmente il modo in cui sono stati finora considerati la segnalazione neurale e l’apprendimento.
L’autrice della nota ringrazia la
dottoressa Isabella Floriani per la collaborazione nell’estensione del testo 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] La traduzione dall’inglese di questo passo di uno scritto citato dal fondatore della sinaptologia, John Eccles (1964), è di Isabella Floriani. Ricordiamo, per il lettore non specialista, che Charles Sherrington, allievo di Cajal che diede un enorme contributo alla neurofisiologia comprendendo il ruolo dell’inibizione come fattore di coordinazione del sistema nervoso centrale (Nobel nel 1932) e i principi della contrazione muscolare (leggi di Sherrington), ebbe il merito di introdurre il termine synapse (suggerito dal grecista Verrall) per definire la giunzione fra neuroni.
[2] Di passaggio, si ricorda che fu proprio Purkinje a definire cilindrassi gli assoni rivestiti di mielina oligodendrogliale nel sistema nervoso centrale.
[3] La via perforante che dallo strato II della corteccia entorinale va ai neuroni granulari o “granuli” del giro dentato.
[4] La LTD fu scoperta nel cervelletto, dove è importante per l’apprendimento motorio. L’induzione di LTD richiede periodi prolungati di stimolazione sinaptica di bassa frequenza (es.: 1 Hz per 15 minuti).