Cosa si scopre studiando la spesa energetica di una scarica neuronica

 

 

ROBERTO COLONNA

 

 

 

NOTE E NOTIZIE - Anno XVI – 02 marzo 2019.

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: AGGIORNAMENTO]

 

I picchi dei potenziali di membrana dei neuroni cerebrali contengono il valore neurale dell’informazione alla base di tutti i processi cerebrali e mentali, dalle più elementari percezioni e dai più semplici movimenti fino alle vette del pensiero matematico, filosofico e religioso. La capacità neuronica di convertire qualsiasi informazione attuale in uno schema specifico e significativo dipende dalla frequenza di emissione dei picchi di potenziali d’azione. Tale frequenza non dipende solo dai caratteri dello stimolo ricevuto, ma anche dal profilo funzionale del singolo neurone, ossia dalla frequenza media alla quale funziona la cellula nervosa. Se il livello medio di attività di un neurone è prossimo al suo massimo o vicino allo zero, le modificazioni dell’input avranno un minimo impatto sul pattern di scarica; pertanto, l’attività media del neurone deve essere regolata. Nel complesso problema di questa regolazione rientra anche il vincolo citofisiologico della spesa energetica.

Un pattern funzionale dei neuroni, comune e frequente tra le cellule nervose cerebrali, è costituito da brevi scariche di alta frequenza. Anche se tali raffiche di potenziali d’azione sono note da tempo immemorabile, è ancora materia di studio e dibattito perché ciò avvenga, in base a quali meccanismi cellulari e con quale significato biologico.

Zhu e colleghi, focalizzando il proprio interesse sulla dimensione energetica del fenomeno, hanno elaborato un metodo di calcolo dell’energia neurale basato sul modello di Chay delle raffiche di potenziali d’azione. Prendendo le mosse dalla stima della spesa energetica per la scarica di un singolo neurone, i quattro ricercatori cinesi sono giunti a rilievi e conclusioni di notevole interesse.

(Zhu F., Energy expenditure computation of a single bursting neuron. Cognitive Neurodynamics - Epub ahead of print doi: 13 (1): 75-87, 2019).

La provenienza degli autori è la seguente: Institute of Cognitive Neurodynamics, East China University of Science and Technology, Shanghai (Cina); School of Computer Science, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou (Cina).

Zhu e colleghi hanno effettuato un’analisi dettagliata del flusso di ioni attraverso la membrana del neurone attivo nella scarica di potenziali d’azione, con o senza stimolazione attuale, e della sua dimensione elettrica che contribuisce al cambiamento energetico del potenziale elettrico transmembrana. I ricercatori hanno accertato che durante la depolarizzazione dei picchi nel corso delle raffiche tale valore diviene negativo, come era stato scoperto in una ricerca precedente con un differente modello di energia. Ma, soprattutto, è emerso che il consumo energetico del neurone durante la scarica è minimo; tale rilievo è particolarmente evidente nello stato funzionale spontaneo, senza stimolazione. In tali condizioni il consumo totale di energia (2.152 x 10-7 J) durante 30 s di scarica è molto prossimo al consumo biologico di energia (2.468 x 10-7 J) durante la genesi di un singolo potenziale d’azione, come era stato dimostrato da Wang et al. (Neural Plast. 2017, 2017a della bibliografia originale).

I risultati ottenuti da Zhu e colleghi suggeriscono che questa proprietà di basso consumo di energia potrebbe semplicemente essere la conseguenza della specifica biofisica che caratterizza la genesi delle scariche, che è coerente con il principio di minimizzazione energetica.

Quanto emerso da questo studio implica anche che l’energia neurale svolge un ruolo critico nella codifica neurale, una questione che apre nuovi e ampi orizzonti di ricerca, con una potenzialità verosimilmente enorme di rivoluzionare la prospettiva in cui attualmente si esamina l’elaborazione nervosa al livello cellulare.

 

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”).

 

Roberto Colonna

BM&L-02 marzo 2019

www.brainmindlife.org

 

 

 

 

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