Eliminando un singolo neurone si abolisce un comportamento per sempre
GIOVANNI ROSSI
NOTE E NOTIZIE - Anno XVII – 08 febbraio 2020.
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 ricerca sui sistemi nervosi semplici di organismi
filogeneticamente primitivi, dal mollusco Aplysia californica al
pesciolino zebrato semitrasparente Danio rerio, ha costituito per oltre
mezzo secolo una fonte preziosa per la conoscenza neurobiologica, e l’impiego
di organismi modello rimane ancora uno strumento insostituibile per
scalare l’impervia e alta vetta del sistema nervoso centrale dei primati. L’analisi
molecolare della fisiologia dei piccoli circuiti dell’Aplysia ha chiarito le
basi neurobiologiche della memoria e dell’apprendimento in tutti gli animali,
consentendo di assumere alcuni paradigmi essenziali per lo studio degli
articolati processi che impegnano i sistemi neuronici ippocampali e corticali
del cervello umano.
Un caso particolare è costituito dalle “cellule
modello”, fra le quali il neurone gigante di Mauthner costituisce un unicum che
ha affascinato generazioni di neurobiologi. La più grande cellula nervosa
conosciuta fu scoperta nel 1859 da Ludwig Mauthner quando aveva solo 19 anni, dopo
aver osservato una “colossale fibra nervosa mielinica” decorrente lungo il
midollo spinale di pesci teleostei[1]. La cellula
nervosa dalla quale ha origine il cilindrasse di dimensioni eccezionali è pari
e simmetrica: due cellule di Mauthner, una per lato del pesce, estendono il
loro assone rivestito di guaina mielinica ai due lati del canale centrale del
midollo spinale, controllando la reazione di fuga istantanea che si realizza mediante
un guizzo.
Anche se, nel tempo, gli studi sul ruolo funzionale
della cellula di Mauthner si sono moltiplicati e le ragioni evoluzionistiche
circa l’importanza per la sopravvivenza della escape reaction sono state
ritenute idonee per giustificare le dimensioni di questi neuroni, la certezza che
una tale struttura abbia solo e proprio questo compito nella vita
dell’organismo è stata messa in dubbio di recente. Infatti, il reale valore per
la sopravvivenza della risposta di fuga mediata dalla cellula di Mauthner non
ha ottenuto supporto sperimentale; e poi, soprattutto, esperimenti ripetuti di
ablazione del neurone gigante non hanno eliminato tutti i guizzi che consentono
ai pesci di sottrarsi a pericoli e minacce. Tali ultimi esiti sperimentali
hanno suggerito ad alcuni ricercatori che la risposta di fuga rapida possa
essere ugualmente guidata da neuroni più piccoli. Poco per volta si è fatta
strada l’idea che siano da rivedere le nozioni classiche su una struttura
cellulare tanto grande e complessa che, ragionevolmente, non si può ritenere
che si sia evoluta solo per assolvere in parte a compiti svolti da altri neuroni
di piccole dimensioni.
Alexander Hecker e colleghi hanno affrontato questo
problema, conducendo una sperimentazione che è riuscita non solo a provare il
ruolo fisiologico delle cellule di Mauthner, ma anche a dimostrarne il rilievo
per la sopravvivenza delle specie che possiedono questo neurone gigante.
(Hecker A., et al. Removing a single neuron in a
vertebrate brain forever abolishes an essential behavior. Proceedings of the
National Academy of Science USA – Epub ahead of print doi:
10.1073/pnas.1918578117, 2020).
La provenienza degli autori è la seguente: Department of Animal Physiology,
University of Bayreuth, Bayreuth (Germania).
[Edited by L. B. Vosshall,
The Rockefeller University, New York (NY)].
Le cellule di Mauthner sono una coppia di enormi neuroni, disposti ciascuno
a controllare il lato corrispondente all’antimero in cui è sito, con il corpo
cellulare nel rombomero 4 del rombencefalo di pesci e anfibi, incluse rane e
rospi post-metamorfici. A differenza della massima parte dei neuroni, formano
sia sinapsi elettriche che sinapsi chimiche. Nella filogenesi sono apparse per
la prima volta nelle lamprede; attualmente sono state individuate in tutti i
pesci teleostei studiati e negli Anuri.
Si ritiene siano responsabili del riflesso di fuga immediata (escape response,
escape reflex o C-start), che consiste in un’azione in due fasi
per una durata complessiva di 30-50 millisecondi (ms) a seconda della specie: prima
la testa ruota verso la direzione di fuga, facendo assumere al corpo una
curvatura simile alla forma di una lettera “C” (10-20 ms), poi si ha la
propulsione che consente di sfrecciare nel verso indicato dalla posizione del
capo (20-30 ms). È interessante notare che il moto propulsivo non richiede
contrazione muscolare antagonistica, ma è consentito dalla rigidità muscolare e
dalla resistenza idrodinamica della coda.
Il ruolo della cellula di Mauthner in questa reazione è stato
sperimentalmente definito dalla comparsa, a seguito di uno stimolo adeguato, di
un singolo potenziale d’azione correlato nel 100% dei casi all’avvio del
riflesso. L’azione di un circuito di inibizione a feedback ultrarapido
inibisce la cellula gemella controlaterale impedendole di raggiungere la soglia
di eccitazione, e garantendo l’efficienza della reazione, basata sull’attivazione
esclusiva del solo lato della fuga.
Nello stadio larvale di Danio rerio circa il 60% dei neuroni reticolospinali si attiva con l’innesco della risposta di
fuga; tra questi neuroni di dimensioni normali vi sono due popolazioni di
omologhi della cellula di Mauthner (MiD2cm e MiD3cm), caratterizzati anche dalla
similitudine per la presenza di un dendrite laterale e un dendrite ventrale.
Tali neuroni sono attivati durante il riflesso quando lo stimolo lesivo è
diretto contro la testa. Nell’adulto, e in ogni caso, il potenziale d’azione
della cellula di Mauthner attiva un gruppo di neuroni (cranial
relay neurons) scoperti
da Michael Bennet e accoppiati elettricamente con i motoneuroni esecutivi del
riflesso.
Nei pesci rossi la cellula di Mauthner è attivata durante la cattura
di una preda prossima alla superficie dell’acqua, e consente al pesciolino di
lasciare il pelo dell’acqua dolce prima possibile.
L’assone della cellula di Mauthner presenta tratti particolari. Il
monticolo assonico è circondato da una densa formazione del neuropilo
(axon cap),
la cui elevata resistenza contribuisce ad una configurazione particolare e
distintiva del potenziale di campo. Questa formazione consiste di una parte
centrale adiacente al neurite e di una parte periferica contenete una rete di
sottilissime fibre amieliniche, provenienti dai neuroni PHP e responsabili del feedback
inibitorio di cui si è detto. Sono stati descritti anche piccoli dendriti che
vanno dal monticolo assonico alla parte periferica di questo cappuccio dell’assone,
intorno al quale si riconosce una parete gliale formata da cellule simili agli
astrociti.
Gli esperimenti più recenti di verifica del ruolo della cellula di Mauthner,
generalmente condotti mediante l’ablazione del corpo cellulare che comporta la conseguente
perdita dei processi cellulari non più alimentati dal soma, hanno avuto esiti
problematici, mostrando che in nessun caso veniva abolito completamente il
riflesso di fuga. Per questa ragione Hecker e
colleghi hanno impiegato tecniche, nel pesciolino zebrato Danio rerio (adulti
e larve)[2], per rilevare simultaneamente la
prestazione nella reazione e lo stato dell’assone gigante per un lungo intervallo
temporale dopo l’ablazione del suo pirenoforo.
In tal modo, i ricercatori hanno scoperto che l’assone della cellula di
Mauthner sopravvive per un tempo imprevedibilmente lungo, e rimane pienamente
in grado di condurre gli eventi neurofunzionali che permettono la rapidissima
risposta comportamentale.
Il passo successivo dello studio è stato attuato rimuovendo nello stesso
organismo un singolo assone gigante, in modo da poter confrontare la risposta C-start
fra i due lati, quello regolarmente provvisto del neurite e l’altro del tutto
privo.
L’osservazione sperimentale ha dimostrato che l’assone integro della cellula
di Mauthner è essenziale per il riflesso rapido di fuga e, dunque, negli studi
in cui il riflesso era conservato dopo l’ablazione del soma gigante, la
prestazione era consentita dalla sopravvivenza dell’assone, che va in necrosi
solo molto tempo dopo il pirenoforo. Hecker e colleghi
hanno accertato che l’eliminazione di quest’unica cellula nervosa, completa del
suo assone, è in grado di abolire per il resto della vita il riflesso di fuga nei
pesci e, presumibilmente, anche negli anfibi.
Il valore biologico ai fini della sopravvivenza è stato verificato
esponendo i pesci ad incontri con un predatore naturale: l’esito ha dimostrato
che la capacità di sopravvivenza è compromessa senza la cellula gigante di
Mauthner.
Possiamo condividere quanto affermato nelle considerazioni conclusive dagli
autori dello studio: i risultati non solo offrono una sorprendente soluzione a
un vecchio rompicapo, ma dimostrano anche che un cervello già molto strutturato,
come quello di pesci e anfibi, può dipendere da un solo neurone.
L’autore
della nota ringrazia la dottoressa Isabella Floriani per la
correzione della bozza e invita alla
lettura delle recensioni di studi di
argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE E NOTIZIE” del sito (utilizzare
il motore interno nella pagina “CERCA”).
Giovanni Rossi
BM&L-08 febbraio 2020
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Society of Neuroscience, è registrata presso l’Agenzia delle Entrate di
Firenze, Ufficio Firenze 1, in data 16 gennaio 2003 con codice fiscale 94098840484,
come organizzazione scientifica e culturale non-profit.
[1] Ludwig Mauthner (1840-1894) fu
neuroanatomista e pubblicò dal 1859 al 1863 quattro studi sulla struttura del
sistema nervoso centrale nei vertebrati; nel primo di questi si legge la
descrizione dell’assone della cellula che ha preso il suo nome. Fu autore di
monografie e articoli di oftalmologia – branca della medicina che contribuì a
fondare – ottenendo la cattedra di Oftalmologia all’Università di Vienna nel
1894, morì in circostanze oscure la notte dopo l’assunzione dell’incarico (Cfr.
Seyfarth & Zottoli, NCBI - NIH).
[2] Di Danio rerio (zebrafish), uno degli “organismi modello” più
impiegati nella ricerca neurobiologica, ci siamo occupati varie volte nel corso
degli anni, fornendo aggiornamenti sulle acquisizioni rese possibili dalle osservazioni
condotte su questa specie ittica.