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

www.brainmindlife.org

 

 

 

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[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.