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
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