Rilevati modi diversi di maturazione nella corteccia adolescente
GIOVANNI ROSSI
NOTE
E NOTIZIE - Anno XIV – 05 marzo 2016.
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]
La corteccia cerebrale sviluppa la sua struttura citoarchitettonica, mieloarchitettonica e sinaptica, così come la sua costituzione recettoriale e neurotrasmissiva, come effetto di un preciso programma genetico e secondo un piano cronologico temporale caratteristico della specie. Ad ogni stadio di maturazione i fattori genetici, pur avendo un ruolo fondamentale ed imprescindibile, non costituiscono le sole forze naturali dalle quali dipende il fenotipo corticale, che prende forma anche grazie ad una varietà di influenze interne ed esterne. Un’importanza critica si riconosce all’interazione dell’organismo con l’ambiente che sembra influire sulla formazione di connessioni afferenti ed efferenti e sul loro rafforzamento.
Attualmente si ritiene che proprio grazie a questi processi di maturazione si strutturano le reti cognitive dell’individuo all’interno della neocorteccia e i sistemi neuronici prefrontali acquisiscono le proprietà che consentono loro di esercitare il controllo sui sostrati neurali della cognizione e del comportamento. Una vasta mole di evidenze sperimentali accumulata negli anni indica che questi eventi maturativi consistono essenzialmente in processi selettivi: selezionano neuroni e circuiti fra quelli prodotti in eccesso durante le fasi precoci dello sviluppo, determinando la regressione e la scomparsa di cellule nervose e terminali non scelti e rinforzati. Questo insieme di eventi caratterizza il processo convenzionalmente definito stabilizzazione selettiva[1]. Tale processo è considerato la seconda fase, dopo la selezione in corso di sviluppo embriogenetico, di eventi biologici basati sulla competizione, che ricalcano, come per primo ha dimostrato Gerald Edelman, quanto avviene fra popolazioni di individui secondo la selezione naturale descritta da Charles Darwin.
Dopo l’adolescenza, per tutta l’età adulta e fino alla senescenza, la struttura citoarchitettonica della corteccia cerebrale umana e degli altri mammiferi rimane relativamente stabile.
La
transizione dell’età adolescenziale verso la configurazione adulta
dell’encefalo è caratterizzata dal rimodellamento anatomico e funzionale delle reti
neuroniche, che nella maggior parte degli studi è stato indagato in termini di
maturazione della corteccia, supponendo una regola generale, come nel caso
della formazione della mielina mancante. In realtà, sappiamo ancora ben poco
del livello cellulare e sinaptico sottostanti la transizione dell’adolescenza;
pertanto, è di grande interesse uno studio condotto da Johnson e colleghi delle
Università di San Francisco e Berkley in collaborazione con la Johns Hopkins
University di Baltimora, che ha rilevato patterns
di maturazione divergenti fra sistemi che giungono alla corteccia frontale da
sedi differenti. L’osservazione, condotta in
vivo mediante la tecnica di imaging
bi-fotonico, documenta al livello cellulare una precisa differenza nella
maturazione fra due afferenti alla stessa regione corticale (Johnson
C. M., et al. Long-range orbitofrontal and amygdala axons show divergent patterns of
maturation in the prefrontal cortex across adolescence. Developmental Cognitive Neuroscience – Epub ahead of print doi:
10.1016/j.dcn.2016.01.005, 2016).
La provenienza degli autori è la
seguente: Neuroscience Graduate Program, University of California at San
Francisco, San Francisco, CA (USA); Helen Willis Neuroscience Institute,
University of California at Berkley, Berkley, CA (USA); Psychology Department, University
of California at Berkley, Berkley, CA (USA); Department of Psychological and
Brain Sciences, Johns Hopkins University, Baltimore, MD (USA).
Come è noto a tutti coloro che abbiano studiato anche sommariamente lo sviluppo del sistema nervoso centrale, o soltanto seguito le pubblicazioni sul nostro sito in questi dodici anni, la formazione di mielina corticale è considerata l’evento fondamentale della maturazione cerebrale post-natale, che si compie fra la pubertà e l’adolescenza. Le dimensioni macroscopiche e la differenza straordinariamente evidente nelle preparazioni istologiche fra cervello adolescente ed adulto, hanno fatto sì che la mielinizzazione corticale assumesse un ruolo quasi di metonimia della maturazione psichica, oscurando tutti gli altri cambiamenti che hanno luogo nel sistema nervoso centrale.
Per comprendere come questo sia avvenuto, è opportuno riprendere il filo storico di quando, per la prima volta, fu rilevato il difetto alla nascita per le fibre corticali intrinseche ed estrinseche di una guaina mielinica evidenziabile con i metodi istologici in uso, e tale difetto fu interpretato come segno di immaturità.
Fu Flechsig (1901, 1920)[2] a stabilire che la formazione di mielina perinatale della corteccia cerebrale obbedisce ad una sequenza cronologica stabilita: le ultime ad essere provviste di mielina sembravano essere le aree associative e, fra queste, in quelle della corteccia prefrontale il processo aveva inizio più tardi e proseguiva per anni. Fin da quell’epoca, si ritenne che la cronologia della maturazione mielinica avesse importanza nello sviluppo di funzioni cognitive. Con la scoperta degli stadi della mielogenesi, Flechsig propose una teoria, poi dibattuta per decenni: lo sviluppo della funzione segue la mielinizzazione ed è in parte dipendente da essa. Quale corollario di questa teoria, vi è che le aree mielinate più tardi sono implicate in funzioni complesse strettamente dipendenti dall’esperienza compiuta dall’organismo nell’ambiente. Tali tesi furono criticate, anche aspramente, da alcuni fra i più noti neuroscienziati dell’epoca: Wernicke, Monakow, Nissl e Vogt. Da rilevare che Cajal, senz’altro il maggiore fra questi, sposò e difese le tesi di Flechsig.
La riflessione dei decenni seguenti indusse un consolidarsi delle obiezioni che furono così sintetizzate da Bishop (1965):
1) i limiti dei metodi istologici rendono difficile determinare l’architettura mielinica;
2) alcune fibre conducono impulsi prima o senza essere rivestite di mielina;
3) non vi è prova di un nesso causale fra mielinizzazione e maturazione psichica;
4) contrasto fra la tendenza evoluzionistica e questo modello di ontogenesi mielinica.
Studi ed elaborazioni successive dimostrarono che nessuna di queste obiezioni era sufficiente ad invalidare il modello generale della mielogenesi post-natale come processo graduale con fasi o stadi cronologicamente definiti, e poco per volta andavano accumulandosi prove di un ragionevole rapporto fra formazione della mielina nelle aree corticali e sviluppo o consolidamento di funzioni o comportamenti (Guillery, 2005).
Dopo questo periodo storico, i moderni studi di neuroimmagine, soprattutto quelli basati sulla risonanza magnetica nucleare (MRI), hanno confermato in forma aggiornata la visione di Flechsig e fornito nuovi elementi di rilievo. Ad esempio, si è stabilito che la neocorteccia, particolarmente nelle regioni prefrontali, non raggiunge il suo completo sviluppo prima della terza decade di vita, potendo talvolta giungere fino all’inizio della quarta. Secondo tali studi, lo sviluppo si accompagna a riduzione volumetrica relativa ed anche assoluta della materia grigia, con speculare incremento volumetrico della sostanza bianca. La riduzione relativa delle parti grigie della massa cerebrale è naturalmente dovuta all’aumento della sostanza bianca per neoproduzione di mielina, mentre la diminuzione assoluta sarebbe da attribuirsi alla selezione funzionale delle cellule nervose, secondo quanto principalmente sostenuto e dimostrato dalla scuola di Gerald Edelman. Evidenze neurobiologiche hanno messo in relazione questi dati morfologici quantitativi con indici di funzioni cognitive di alto livello di integrazione, quali linguaggio, ragionamento logico ed altre abilità intellettive, che non raggiungono il pieno sviluppo se non quando è stata completata la maturazione cerebrale postnatale, della quale la mielinizzazione corticale è l’aspetto più evidente.
Fra i numerosi risultati ottenuti dalla ricerca in questo campo, ricordiamo un dato che è stato messo in rapporto con la maturazione delle abilità cognitive. A differenza degli strati corticali più superficiali (IV, V e VI), che si sviluppano precocemente e rapidamente dopo la nascita, il fine modellamento e la differenziazione dei neuroni piramidali del III strato prosegue fino alla pubertà ed oltre. Poiché il III strato è origine e terminazione di profuse connessioni cortico-corticali necessarie per la formazione di memorie associative, e il suo rimaneggiamento ritardato e protratto è in stretto rapporto con lo sviluppo della sua innervazione colinergica, si ritiene che questi eventi possano costituire una delle basi biologiche della maturazione cognitiva dell’età adolescenziale.
Con questa premessa, sia pur sintetica rispetto allo sviluppo attuale delle conoscenze in questo campo, anche il lettore non specificamente preparato sull’argomento potrà avere una cornice entro cui collocare i risultati dello studio di Johnson e colleghi.
I ricercatori hanno impiegato l’imaging bi-fotonico per fare sul cervello nell’animale vivo osservazioni time-lapse di assoni di lungo raggio che innervano la corteccia frontale. La procedura ha previsto l’etichettatura di neuroni di due sedi diverse, l’una corticale, l’altra sottocorticale: 1) cellule nervose appartenenti alla corteccia cerebrale della regione orbitofrontale; 2) cellule nervose appartenenti al raggruppamento nucleare basolaterale dell’amigdala. Dopo il labeling di questi due insiemi di pirenofori sono stati seguiti con l’imaging i loro assoni costituenti due fasci afferenti, uno di connessione cortico-corticale, l’altro amigdalo-corticale. In particolare, i due fascicoli di neuriti erano entrambi diretti alla corteccia prefrontale dorso-mediale. I ricercatori hanno poi realizzato immagini dei dendriti apicali dei neuroni piramidali di questa area dorso-mediale prefrontale. Le immagini erano riprese quotidianamente in coorti separate di topi “giovanili” (P24-P28) e giovani adulti (P64-P68).
La scelta delle età in questo studio è particolarmente significativa, perché gli stessi autori avevano in precedenza scoperto differenze fra questi due stadi cronologici di maturazione cerebrale, nei processi decisionali (decision-making) dipendenti dalla corteccia prefrontale dorso-mediale.
L’osservazione ha consentito di rilevare che, nel corso di questo periodo peri-adolescenziale, le spine dendritiche dei neuroni piramidali andavano incontro ad un processo di eliminazione (potatura), mentre i due fascicoli assonici afferenti all’area prefrontale dorso-mediale e provenienti, rispettivamente, dall’amigdala basolaterale e dalla corteccia orbitofrontale, seguivano traiettorie di sviluppo differenti.
I bottoni sinaptici degli assoni provenienti dalla corteccia orbitofrontale non presentavano riduzioni della loro densità, ma facevano registrare un apprezzabile decremento con l’età nel gioco quotidiano di guadagno e perdita di unità.
Gli assoni provenienti dall’amigdala basolaterale mostravano un incremento sia della densità dei bottoni sia del guadagno quotidiano di unità all’età più avanzata, suggerendo un intervallo (finestra) ritardato di accentuata plasticità.
L’insieme di tutto quanto emerso da questa sperimentazione, per il cui dettaglio si rinvia alla lettura integrale del testo del lavoro originale, rivela la maturazione di strutture sinaptiche diversa e specifica per aree di provenienza neuronica, nello stesso territorio di corteccia cerebrale, e suggerisce che la stabilizzazione sia una caratteristica della maturazione più generale dell’eliminazione.
L’autore della nota ringrazia la
dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza 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”).
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