Scoperto un sistema che regola il proencefalo inibendo il talamo
intralaminare
NICOLE CARDON & GIOVANNI ROSSI
NOTE
E NOTIZIE - Anno XIII – 28 febbraio 2015.
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 è oggetto di
studio dei soci componenti lo staff dei
recensori della Commissione Scientifica
della Società.
[Tipologia del testo: RECENSIONE]
Se consideriamo il nostro comportamento nei suoi aspetti più istintivi ed abitudinari, possiamo facilmente paragonarlo a quello dei mammiferi che costituiscono modello sperimentale per la comprensione delle sue basi neurobiologiche. Se definiamo uno schema comune di grandi funzioni, come quelle legate alle principali attività necessarie per la vita di un individuo e per la sopravvivenza della sua specie, quali veglia-sonno, comportamento alimentare, comportamento riproduttivo, risposta in fuga o attacco allo stress, eccetera, possiamo individuare nel sistema nervoso centrale, centri e vie necessari all’espletamento di tali compiti fisiologici. Sebbene molti aspetti della neurofisiologia, come le basi della memoria, dell’apprendimento, della percezione e del movimento, siano oggi studiati prevalentemente, se non esclusivamente, in termini molecolari, rimane il fascino e la necessità di comprendere il ruolo e il senso, nell’architettura funzionale del sistema nervoso, dell’attività di nuclei neuronici e fasci di assoni che si attivano specificamente durante un particolare comportamento e non in altri.
La ricerca neurobiologica di base procede a ritmi serrati e, sebbene la completa decodifica delle funzioni al livello molecolare e cellulare sia una meta ancora lontana, i dati che vanno accumulandosi sono copiosi e le nuove nozioni che emergono dalla ricerca sono numerose. Al contrario, la neurofisiologia dei sistemi, dopo periodi di grandi progressi, sembra segnare il passo e lasciare senza risposta molti degli interrogativi sulle basi fisiologiche del comportamento formulati già un paio di decenni or sono. Probabilmente una ripresa del cammino, dopo l’impulso venuto dalle nuove tecniche di neuroimaging, dipenderà dalla capacità dei ricercatori di integrare dati e metodi per porre in più stretta continuità, attraverso il livello sinaptico, quanto apprendiamo in bassa scala o nelle sotto-componenti delle grandi formazioni, con quanto si osserva nella fenomenica delle vie che pongono in connessione intere sezioni del sistema nervoso. Magari saranno proprio i nuovi metodi impiegati per lo studio di microcircuiti e singoli neuroni, come l’attivazione optogenetica, che creeranno un ponte fra la dimensione indagata dall’elettrofisiologia e dal neuroimaging (MRI, DTI, trattografia, ecc.) e la dimensione della biochimica e della genetica di neurotrasmettitori, recettori, proteine di membrana, eccetera.
Gli esempi di
studi che cercano le chiavi del rapporto fra microstrutture di connessione e
grandi vie del sistema nervoso centrale alla base del comportamento non sono
molti, e fra questi solo pochi ottengono risultati degni di nota; pertanto,
abbiamo letto con molto interesse un lavoro che ha riconosciuto nelle sinapsi inibitorie dei nuclei intralaminari del talamo la sede
di una regolazione che consente di coordinare cervello e tronco encefalico.
Ricercatori ungheresi, con colleghi svizzeri, con Marco Diana che lavora al
CNRS di Parigi ed altri colleghi francesi, riconoscendo la sede di una rapida e
potente inibizione sinaptica talamica, hanno identificato un sistema di fibre ascendenti che
consente al tronco encefalico di regolare l’attività del proencefalo,
coordinando momento per momento le attività di queste due grandi sezioni del
sistema nervoso centrale (Giber K., et al., A subcortical inhibitory signal
for behavioral arrest in the talamus. Nature Neuroscience – Epub ahead of print doi:10.1038/nn.3951,
2015).
La provenienza degli autori dello
studio è la seguente: Laboratory of Thalamus Research, Institute of
Experimental Medicine, Hungarian Academy of Sciences, Budapest (Ungheria); Laboratory
of Cerebral Cortex Research, Institute of Experimental Medicine, Hungarian
Academy of Sciences, Budapest (Ungheria); Department of Psychiatry and
Department of Pathology, St. Borbala Hospital, Tatabanya (Ungheria); Biology
Institute of the Ecole Normale Supérieure, IBENS; Inserm, U1024; CNRS, UMR
8197, Paris (Francia); Institute of Pharmacology and Toxicology, University of
Zurich, Zurich (Svizzera); Institute of Pharmaceutical Sciences, Swiss Federal
Institute of Technology, Zurich (Svizzera); Cold Spring Harbor Laboratory, Cold
Spring Harbor, New York (USA).
L’organizzazione del nostro comportamento, e più in generale di quello dei mammiferi dai roditori alle scimmie, richiede una rapida ed efficiente coordinazione delle molteplici, complesse e delicate funzioni svolte dal tronco encefalico e dal proencefalo. Due sezioni del sistema nervoso centrale, e più specificamente dell’encefalo, che nell’uomo possono essere caratterizzate per due ordini di funzioni concettualmente agli antipodi, ossia l’attività proencefalica del pensiero, e il controllo troncoencefalico di funzioni vegetative vitali. Ma che possono anche considerarsi due diversi livelli anatomo-funzionali di elaborazione per funzioni sensoriali e motorie comuni.
Il modo in cui l’elaborazione specifica del proencefalo si integri in modo appropriato e tempestivo con i processi dei sistemi del tronco encefalico, appartiene ancora al limbo delle ipotesi basate su principi neurofunzionali generali e compatibili con dati e nozioni emersi dalle indagini sperimentali. Numerose osservazioni hanno suggerito da tempo che i nuclei intralaminari del talamo possano costituire una sorta di stazione principale per la connessione fra queste due sezioni dell’encefalo di aree con un ruolo critico nella coordinazione.
È opportuno richiamare qualche nozione di neuroanatomia di questi aggregati neuronici del talamo, prima di esporre in sintesi il lavoro di Giber e colleghi.
I nuclei intralaminari sono un insieme di aggregati neuronici siti nella compagine della lamina midollare interna del talamo e ordinariamente distinti in due gruppi: 1) gruppo anteriore o rostrale nel quale si distinguono un nucleo centrale mediale, un nucleo paracentrale e un nucleo centrale laterale; 2) gruppo posteriore o caudale nel quale si distinguono un nucleo centromediano ed uno parafascicolare.
1) Gruppo anteriore dei nuclei intralaminari. Presentano connessioni reciproche estese a tutta la corteccia, ma sono state rilevate preferenze di area. In particolare: il nucleo centrale laterale proietta principalmente alle aree di associazione parietali e temporali; il nucleo paracentrale alla corteccia occipitotemporale e prefrontale; il nucleo centrale mediale alla corteccia della superficie mediale degli emisferi, oltre che alla orbitofrontale e prefrontale. Importanti connessioni esistono con lo striato. Le proiezioni dal talamo allo striato sono ordinate secondo una precisa organizzazione topografica. Molti neuroni intralaminari del gruppo anteriore hanno assoni a proiezione doppia, con una branca che va alla corteccia e un’altra che raggiunge lo striato. I nuclei intralaminari anteriori hanno estese afferenze subcorticali. Il nucleo centrale laterale riceve fibre dal tratto spinotalamico, e tutti gli altri nuclei ricevono assoni dalla formazione reticolare del tronco encefalico, dal collicolo superiore e dai nuclei pretettali.
2) Gruppo posteriore dei nuclei intralaminari. I nuclei centromediano e parafascicolare presentano connessioni meno estese e diffuse, sostanzialmente ristrette alle aree corticali motoria, premotoria e supplementare. Principalmente queste connessioni sono valse la fama dei nuclei intralaminari quali varco controllato (gate) di accesso alla corteccia motoria. Nelle proiezioni allo striato i neuroni del gruppo posteriore presentano un minor numero di cilindrassi a proiezione doppia. Il maggior contingente in entrata proviene dalla parte mediale del globo pallido. Altre fibre afferenti provengono dalla parte reticolata della sostanza nera, dai nuclei profondi del cervelletto, dal nucleo peduncolopontino del mesencefalo e, probabilmente, dal tratto spinotalamico. Le fibre afferenti dalla formazione reticolare a tutti i nuclei intralaminari del talamo includono un notevole contingente di assoni colinergici.
Il preciso ruolo funzionale dei nuclei intralaminari non è chiaro. Sulla base di evidenze sperimentali si ritiene che siano dei mediatori dell’attivazione corticale da parte della formazione reticolare troncoencefalica e, con tale mediazione, partecipino all’integrazione senso-motoria. Il danno ai nuclei intralaminari sembra essere responsabile di molti casi di neglect, la negligenza di stimoli provenienti dall’antimero del proprio corpo controlaterale alla sede della lesione e dalla corrispondente metà dello spazio esterno. Come si diceva prima, si ritiene che i nuclei intralaminari costituiscano una sorta di hub del grande circuito di collegamento fra le aree critiche del tronco encefalico e del proencefalo.
Le osservazioni condotte da Kristof Giber e colleghi hanno rivelato che i neuroni inibitori GABAergici e glicinergici, siti nel Ponte di Varolio ed appartenenti alla formazione reticolare troncoencefalica, inviano fibre ascendenti che costituiscono una grande via con terminali multisinaptici, in grado di esercitare una rapida, potente e sostenuta inibizione dei neuroni dei nuclei intralaminari del talamo.
La verifica sperimentale ha mostrato che questa inibizione è “finemente sintonizzata” attraverso la ratio eterogenea di recettori glicinergici e GABAergici espressi sulle membrane delle singole sinapsi.
L’attivazione optogenetica dei terminali inibitori degli assoni della formazione reticolare pontina nei nuclei intralaminari del talamo di topi in grado di muoversi liberamente, ha determinato l’arresto comportamentale e la temporanea interruzione della fisiologica attività corticale che caratterizza la veglia. In particolare, l’esperimento mediante l’attivazione optogenetica dei bottoni sinaptici reticolari sulle cellule nervose riceventi del talamo ha antagonizzato l’esecuzione dei movimenti volontari da parte degli animali ed ha promosso l’emergere, nel tracciato elettrofunzionale, di oscillazioni corticali lente, ossia onde a bassa frequenza, evidenziando il contributo delle proiezioni ascendenti nella regolazione dei circuiti motori di grande scala.
Giber e colleghi hanno poi identificato nei nuclei intralaminari umani un sistema reticolare inibitorio afferente con elementi morfologici simili a quelli osservati nei roditori, dimostrando l’esistenza nell’uomo di questo grande circuito di raccordo.
Concludendo, i dati raccolti in questo studio rivelano l’esistenza di un sistema ascendente, conservato nel corso dell’evoluzione, che regola l’attività del proencefalo, ponendo in registro questa sezione del cervello con il tronco encefalico, grazie ad una veloce e potente inibizione sinaptica dei neuroni intralaminari del talamo.
Infine, una precisazione per i lettori più esigenti. Nel titolo si è impiegato il verbo scoprire, per volontà di uno di noi (Nicole Cardon), anche se forse sarebbe stato più appropriato il verbo identificare, perché, come è stato correttamente osservato (Giovanni Rossi), in termini anatomici non è stato scoperto un contingente di fibre mai evidenziato prima. Tuttavia, il riconoscimento del valore funzionale di questo fascio di assoni è una vera e propria scoperta neurofisiologica, che ci sembrava meritasse il massimo risalto.
Gli autori della nota ringraziano
la dottoressa Isabella Floriani per la revisione e la correzione del testo e
invitano alla lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella
sezione “NOTE E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina
“CERCA”).