Atlante delle connessioni monosinaptiche della corteccia prefrontale mediale
ROBERTO COLONNA
NOTE E NOTIZIE - Anno XVI – 23 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: RECENSIONE]
È difficile esagerare l’importanza
della corteccia prefrontale nella fisiologia cerebrale dei mammiferi, sia perché
lo studio dell’evoluzione della sua struttura e delle sue connessioni con il
talamo ed altre regioni cerebrali sta fornendo elementi preziosi per la
comprensione delle basi filogenetiche della cognizione, sia perché nella nostra
specie il suo ruolo va dal controllo della motricità all’elaborazione del
pensiero astratto. Gli ambiti di ricerca, le metodiche impiegate e i livelli
funzionali indagati sono vari, pertanto la mole considerevole ma eterogenea di
risultati prodotti richiede un lavoro di interpretazione e sintesi perché
possa, poco a poco, emergere una nuova definizione del profilo fisiologico di
questa importante regione del telencefalo.
Un tipo di studi, molto seguito di
recente, tende ad individuare i rapporti esistenti tra singoli tipi cellulari
della corteccia cerebrale, definiti sulla base di caratteristiche citologiche o
neurochimiche, e reti di connessione dei neuroni di proiezione studiate con
metodiche del tutto diverse. Si spera, con questi studi, di trovare delle
chiavi di volta per decifrare i criteri organizzativi che ancora ignoriamo e
comprenderne il senso neurobiologico.
I neuroni corticali che fungono da
cellule principali nelle singole aree presentano due livelli di connettività:
1) sinapsi locali e 2) sinapsi distali degli assoni di proiezione a lungo
raggio. Tale doppio livello di connessione si ritiene che sia strumentale al repertorio funzionale della regione
corticale in cui tali cellule nervose risiedono. Nelle reti della corteccia
cerebrale dei mammiferi si conoscono strutture
di circuiti locali, costituite da distinti tipi di cellule nervose, che svolgono operazioni di computazione specializzate. Tali computazioni, nella corteccia prefrontale mediale (mPFC) si ritiene che siano centrali nelle operazioni cognitive, inclusi i processi
più affascinanti, quali quelli alla base dell’uso intelligente delle memorie e dell’esercizio
del potere decisionale in questioni di importanza cruciale per la nostra vita.
Tanto premesso, si comprende il
valore che possono avere i risultati di uno studio, condotto da Sofie Ährlund-Richter e colleghi, che ha ricostruito un atlante
esteso a tutto il cervello dell’input
monosinaptico che raggiunge quattro tipi di neuroni
nella corteccia prefrontale mediale di topo.
(Ährlund-Richter S., et al. A whole-brain
atlas of monosynaptic input targeting four different cell types in the medial
prefrontal cortex of the mouse. Nature Neuroscience - Epub ahead of print doi:
10.1038/s41593-019-0354-y, March 18, 2019).
La provenienza degli autori è la seguente: Department
of Neuroscience, Karolinska Institutet, Stockholm (Svezia); Department of Bioscience and Nutrition, Karolinska
Institutet, Huddinge (Svezia).
La corteccia prefrontale è la struttura laminare di materia grigia che
costituisce il polo anteriore del cervello, in continuità con la corteccia
motoria sulla superficie encefalica esterna e con la corteccia limbica nella
parte mediale e orbitale. Anatomicamente è definita, secondo un criterio che si
adatta a tutti i mammiferi, come la parte della corteccia cerebrale che riceve
fibre di proiezione dal nucleo mediodorsale del talamo, anche se vi giungono
assoni da molte altre aree subcorticali. L’espansione della corteccia
prefrontale nel corso dell’evoluzione è stata superiore a quella di ogni altra
regione dell’encefalo, raggiungendo nella nostra specie il massimo sviluppo
relativo, con un volume stimato circa un terzo di quello dell’intera
neocorteccia.
Lo sviluppo ontogenetico della
corteccia prefrontale segue la filogenesi, con le aree orbitomediali
che maturano prima di quelle laterali. Nel corso della formazione del sistema
nervoso, i neuroni proliferano e migrano lungo la glia radiale di Rakic, raggiungendo le sedi specifiche del piano topologico
embriogenetico, e si accrescono secondo le tappe temporali comuni alla
neocorteccia. Alla nascita, la corteccia prefrontale dei primati è
completamente configurata in termini di architettura cellulare e strutture di
base degli elementi cellulari.
In tutte le specie, compresi i
roditori di laboratorio, l’iperproduzione neonatale di neuroni -che compensa la
selezione in corso di sviluppo - cede il passo ad un regime di riduzione del
numero e della densità cellulare, che continua nell’età adulta (selezione
indotta dall’esperienza). Per le sinapsi si osserva un andamento simile, con
una progressiva riduzione, spesso per provati meccanismi di selezione
competitiva, che si associa a specializzazione funzionale.
La maturazione della mielina nella
corteccia prefrontale avviene più tardi che in altre aree corticali, e nella
nostra specie raggiunge il pieno sviluppo intorno ai venti anni, in coincidenza
con la maturazione di importanti funzioni cognitive.
Le connessioni scoperte negli anni
sono tali che è difficile escludere dal novero di quelle dimostrate un’area
encefalica; infatti, alle dirette connessioni con le altre aree della
corteccia, con l’amigdala, la corteccia limbica, l’ipotalamo e il mesencefalo,
si aggiungono le proiezioni talamiche che convogliano input provenienti dal cervelletto, dai segmenti bassi del tronco
encefalico e da varie formazioni ascritte tradizionalmente al sistema limbico.
Tutte le connessioni della corteccia prefrontale sono reciproche, secondo il
modello del rientro edelmaniano, ma è possibile riconoscere un pattern di connettività della mPFC distinto da quello della regione laterale (lPFC). La corteccia
prefrontale mediale ed orbitale è principalmente connessa con il talamo
mediale, l’ipotalamo, l’amigdala e la corteccia temporale mediale e limbica,
incluso l’ippocampo. Si ritiene che questo complesso sistema di
interconnessione costituisca l’arcaica base filogenetica e il sostrato
anatomico per l’integrazione delle componenti istintive, emotive ed affettive
nell’elaborazione globale che determina il comportamento.
Sofie Ährlund-Richter,
Yang Xuan e colleghi hanno impiegato virus rabici per
generare mappe estese all’intero cervello dell’input ai neuroni eccitatori
e a tre sottotipi di neuroni inibitori nella mPFC di topo.
Così abbiamo introdotto la tecnica
che adopera il sistema trans-sinaptico retrogrado del virus rabico in una
notula recente:
“Nel 1804 il medico tedesco Georg Gottfried Zinke aveva dimostrato
l’alta concentrazione di un agente patogeno nella saliva degli animali
infettati da virus rabico, ma solo dopo il 1880 Louis Pasteur scoprì la
localizzazione cerebrale del microrganismo. Un secolo dopo, si è compreso che
questi virus a RNA, nell’evoluzione, hanno sviluppato un adattamento che
consente loro di saltare da un neurone all’altro, come accade quando percorrono
il tragitto che li porta dalla sede del morso, da parte dell’animale infetto,
al cervello della vittima. Il lavoro di virologi e neuroscienziati ha
consentito di sfruttare questa proprietà del virus per identificare le cellule
dalle quali proviene il segnale ai neuroni di un dato circuito che si vuol
conoscere ed analizzare. A questo scopo, i virus rabici sono ingegnerizzati in
modo tale da consentire loro di infettare solo i neuroni studiati e saltare una
sola volta attraverso una sinapsi. Gli studi realizzati con questa tecnica
rivelano una precisione senza precedenti”[1].
Con questa tecnica, i ricercatori
hanno cercato di definire i pattern
dell’input, ed hanno rilevato che, in
scala globale, gli schemi di input
sono prevalentemente indipendenti dal tipo cellulare, con differenze
quantitative in regioni chiave del cervello, incluso il proencefalo basale.
La realizzazione di mappe delle reti locali della mPFC ha rivelato un’elevata connettività tra differenti
sottotipi di interneuroni. La mappatura della connettività fornisce conoscenze
sull’informazione elaborata dalla mPFC e
sull’architettura strutturale sottostante le funzioni specifiche di questa
regione della corteccia cerebrale.
L’autore della nota ringrazia
la dottoressa Isabella Floriani per la correzione
della bozza e invita alla
lettura delle numerose recensioni di argomento connesso che appaiono
nella sezione “NOTE E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella
pagina “CERCA”).
Roberto Colonna
BM&L-23 marzo 2019
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fiscale 94098840484, come organizzazione scientifica e culturale non-profit.
[1] Note e Notizie 09-03-19 Notule (Precisione senza precedenti nella
mappa dei circuiti cerebrali mediante virus rabico).