Movimenti ritmici dipendenti da astrociti
DIANE RICHMOND
NOTE
E NOTIZIE - Anno XIII – 30 maggio 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]
“Muovere cose è tutto ciò che l’umanità può fare, per
la qual cosa l’unico esecutore
è il muscolo, sia nel bisbigliare una sillaba che
nell’abbattere una foresta”.
[Sherrington C. S., Linacre lecture, 1924]
La capacità di muoversi è fondamentale per la salute e la vita di ogni specie animale, essendo l’attività motoria una componente essenziale della stessa organizzazione funzionale degli organismi viventi. L’esecuzione dell’interminabile repertorio di movimenti che è patrimonio della nostra specie, origina da rappresentazioni del movimento desiderato all’interno del nostro sistema nervoso centrale, e dalla conversione delle rappresentazioni in configurazioni, costituite da combinazioni di schemi di attivazione degli oltre 640 muscoli scheletrici o striati.
La distinzione fra movimenti volontari, ritmici e riflessi è eminentemente neurologica e non indica effettori muscolari distinti e separati. Infatti, gli stessi gruppi di muscoli possono agire sotto il controllo della volontà, di un automatismo ritmico o di un meccanismo riflesso. L’esempio classico è quello dei muscoli della respirazione che sono impiegati, ad esempio, nell’inspirazione profonda volontaria che precede l’immersione subacquea, nei normali cicli automatici del ritmo respiratorio naturale e nella risposta riflessa ad uno stimolo che induce la tosse.
In pratica, definiamo movimenti volontari quelli sotto il controllo del cervello e movimenti riflessi le risposte stereotipe a stimoli specifici, generate da circuiti semplici spinali o troncoencefalici. I movimenti ritmici sono sequenze automatiche ripetitive e stereotipe, il cui controllo si può concettualmente collocare a metà fra i primi due tipi, in quanto, sebbene possano essere regolati volontariamente, in massima parte la loro programmazione temporale e la loro organizzazione spaziale sono sotto il controllo autonomo di circuiti del midollo spinale e del tronco encefalico. Camminare, correre, nuotare, volare, e in generale ogni forma di locomozione, implica movimenti ritmici alternati del corpo e delle estremità. La neurofisiologia di tali attività implica l’azione combinata di generatori centrali di configurazione, informazione sensoriale specificamente regolata e comandi esecutivi discendenti, che nell’insieme danno luogo ai complessi schemi alternati di eccitazione e inibizione di specifici gruppi muscolari.
All’origine della genesi dei ritmi motori vi è l’accensione (firing) ritmica dei circuiti di neuroni responsabili dei movimenti, che seguono una temporalità cadenzata. Pertanto, la comprensione dei processi che consentono questa particolare attivazione, potrebbe gettare luce sui meccanismi molecolari e cellulari che permettono al sistema nervoso dei mammiferi di generare attività ritmiche. Philippe Morquette e colleghi, hanno accertato che questa proprietà dipende dagli astrociti, studiando il circuito trigeminale della masticazione, dove la genesi del ritmo sembra fondarsi sull’attivazione di una persistente corrente di Na+.
Le cellule dell’astroglia modulano questa conduttanza riducendo il Ca2+ extracellulare mediante il rilascio della proteina legante il calcio S100β. Il blocco della proteina S100β o la disattivazione degli astrociti impedisce la ritmogenesi.
Lo studio di Morquette e colleghi merita senz’altro di essere conosciuto (Morquette P., et al., An astrocyte-dependent mechanism for neuronal rhythmogenesis. Nature Neuroscience – Epub ahead of print doi:10.1038/nn.4013, 2015).
La provenienza degli autori dello
studio è la seguente: Department of Neuroscience and Group of Research on
Central Nervous System, University of Montreal, Montreal, Quebec (Canada);
Faculty of Pharmacy, University of Montreal, Montreal, Quebec (Canada); Faculty of Sport Sciences, University of
Montpellier 1, Montpellier (France); INRA, UMR866 Muscular Dynamics an
Metabolism, Montpellier (France); Faculty of Dental Medicine, University of
Montreal, Montreal, Quebec (Canada).
Anche se attualmente la ricerca sui movimenti ritmici è focalizzata sui processi che consentono alle reti di neuroni di generare e sostenere tali esecuzioni cadenzate e ripetitive, non dobbiamo dimenticare che l’origine degli studi in questo campo risale alle indagini condotte oltre un secolo fa sul controllo nervoso della locomozione animale. All’epoca, impressionanti esperimenti condotti su cani sottoposti impietosamente a decerebrazione[1], dimostrarono che questi animali erano ancora in grado di andare in giro con una locomozione sostanzialmente fisiologica, senza il controllo degli emisferi cerebrali. Furono poi realizzati preparati spinali in gatti e cani mediante la sezione trasversale al livello toracico più basso, in modo da isolare i segmenti spinali che controllano la muscolatura degli arti posteriori. In questi “animali spinali” si rilevarono movimenti per l’esecuzione dei passi simili a quelli dell’automatismo fisiologico e, quando lo sperimentatore induceva un movimento passivo di un arto, si innescava per risposta l’avvio di una successione di passi, come in un riflesso di marcia, che svelava l’importanza dei riflessi propriocettivi per la regolazione del movimento.
Nel 1911 Thomas Graham Brown scoprì che contrazioni ritmiche alternate possono essere evocate in muscoli delle zampe posteriori deafferentate immediatamente dopo la sezione trasversa del midollo spinale. Su questa base Brown propose il concetto di half-center, secondo cui i flessori e gli estensori si inibiscono reciprocamente dando origine ai movimenti alternati dell’andatura[2].
Lo studio dei movimenti ritmici degli arti inferiori è stato perciò, storicamente, il primo approccio al controllo nervoso delle attività ritmiche.
Philippe Morquette e colleghi, che indagano le basi del comportamento ritmico, hanno impostato il problema secondo la seguente successione di enunciati che termina in un interrogativo. La comunicazione fra neuroni si basa sulla loro capacità di variare gli schemi di attivazione (firing patterns) per codificare messaggi differenti. Per varie funzioni vitali quali la respirazione, la locomozione e la masticazione, i sistemi neuronici generano dei ritmi che si basano sullo sviluppo ritmico di potenziali d’azione lungo la membrana delle singole cellule nervose secondo un definito e caratteristico firing pattern. Quali sono i meccanismi e i processi che rendono possibile al livello cellulare la genesi di questi schemi funzionali?
La sperimentazione è stata condotta sul circuito senso-motorio per la masticazione del ratto, nel quale la genesi del firing pattern ritmico è risultata dipendere strettamente dalle concentrazioni del Ca2+ extracellulare. In particolare, la sperimentazione ha dimostrato che la regolazione da parte degli astrociti delle [Ca2+]e è all’origine dei processi elettrici misurati.
Nel circuito senso-motorio per la masticazione del ratto, le cellule dell’astroglia rispondono a stimoli sensoriali che inducono l’attività ritmica dei neuroni: il blocco degli astrociti con un agente chelante il Ca2+ impedisce alle cellule nervose di generare un pattern di scarica ritmica.
Gli esperimenti hanno rivelato che la capacità fisiologica è reintegrata aggiungendo una proteina astrocitaria legante il calcio, ossia S100β, nello spazio extracellulare. Al contrario, l’esperimento dell’introduzione di un anticorpo anti-S100β ha determinato nuovamente il blocco della genesi dello schema di attivazione ritmico da parte dei neuroni della masticazione del ratto.
L’insieme dei dati emersi dallo studio, per il cui dettaglio si rimanda al testo integrale del lavoro originale, fornisce un’evidenza per una nozione decisamente rilevante: gli astrociti regolano una fondamentale proprietà dei neuroni, ossia quella di variare lo schema funzionale, ovvero cambiare il proprio firing pattern.
Se questi risultati troveranno conferma dalla sperimentazione in altri sistemi neuroni-astrociti che generano ritmi, si potrà definire la scoperta di un ruolo degli astrociti che avrà notevoli implicazioni nello studio di molte altre reti e sistemi neuronici.
L’autrice della nota ringrazia il
dottor Lorenzo L. Borgia per la citazione da Sherrington e le definizioni dei
tipi di movimenti, e la dottoressa Isabella Floriani per la correzione della
bozza. Inoltre, invita alla lettura delle recensioni di argomento connesso che
appaiono nella sezione “NOTE E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno
nella pagina “CERCA”).
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