Scoperto il sistema che comanda gli atti locomotori destra-sinistra
GIOVANNI ROSSI
NOTE E NOTIZIE - Anno XVII – 23 maggio 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 funzione locomotoria è una risorsa essenziale per la
sopravvivenza in tutti gli organismi viventi, evoluta in forme diverse, quali
il procedere sulla terra per deambulazione o strisciamento, il librarsi nell’aria
mediante il volo e solcare le acque con il nuoto, ma costantemente caratterizzata
da movimenti ritmici ed alternati del corpo e/o delle estremità.
Il ritmo locomotorio è assicurato da una stereotipia ripetitiva, regolata
automaticamente ad un livello relativamente basso, apparentemente senza il
controllo dei centri encefalici. Nella realtà, la locomozione – intesa in
particolare come il procedere sul suolo mediante l’azione degli arti – avviene su
superfici irregolari nella dinamica di azioni finalizzate, ed è influenzata,
modulata o disturbata da interazioni ed eventi non sempre prevedibili. Gli automatismi
locomotori devono perciò essere continuamente gestiti, con modulazioni
anche minime, per l’adattamento ottimale alle circostanze in cui avviene
materialmente lo spostamento nell’ambiente.
Lo studio del controllo del movimento locomotorio nella fisiologia
classica aveva lo scopo di dare risposta a due quesiti principali: 1) in che
modo aggregati di cellule nervose generano i tipici pattern motori ritmici?
2) In che modo l’informazione sensoriale adatta la locomozione
agli eventi anticipati o inattesi che si verificano?
Le risposte a questi due quesiti – che saranno riassunte più avanti – hanno
dato origine agli studi contemporanei sulla precisa regolazione della
temporizzazione e della forza delle contrazioni di tutti i muscoli che
partecipano allo spostamento del corpo nell’ambiente. La scoperta nei preparati
decerebrati che l’esecuzione di passi può essere avviata dalla stimolazione
elettrica di un sito troncoencefalico, ha consentito di identificare la regione
locomotoria mesencefalica. I preparati spinali hanno favorito l’individuazione
nelle reti del midollo spinale di un generatore centrale di pattern
locomotori, attivabile mediante farmaci adrenergici.
Gli studi condotti sulla base di queste acquisizioni hanno consentito di
stabilire che il ritmo di base della locomozione è generato centralmente
nelle reti spinali, la transizione dalla pausa al riavvio è
regolata dai segnali afferenti da flessori ed estensori degli arti
inferiori e, infine, che segnali discendenti dall’encefalo regolano l’intensità
della locomozione e modificano i movimenti dei passi secondo i caratteri della
superficie sulla quale si procede.
I motoneuroni encefalici, dunque, emettono attraverso la neurotrasmissione
eccitatoria delle reti del midollo spinale i comandi necessari all’esecuzione
delle funzioni alla base della locomozione, come la configurazione di movimento
detta passo e la velocità alla quale gli schemi esecutivi devono
succedersi.
Jared M. Cregg e colleghi, studiando il modo in cui i motoneuroni superiori
governano l’esecutività spinale nei movimenti locomotori, hanno individuato una
nuova popolazione di neuroni reticolospinali che invia i comandi
asimmetrici necessari al fondamentale alternarsi destra-sinistra dell’andatura.
(Cregg J. M., et al., Brainstem
neurons that command mammalian locomotor asymmetries. Nature Neuroscience – Epub ahead of print doi:
10.1038/s41593-020-0633-7, 2020)
La provenienza degli autori è la seguente: Department
of Neuroscience, Faculty of Health and Medical Sciences, University of Copenhagen
(Danimarca); The McGovern Institute for Brain Research, Massachusetts Institute
of Technology (MIT), Cambridge, MA (USA); Department of Neuroscience,
Karolinska Institutet, Stockholm (Svezia).
Nel 1911 Thomas Graham Brown
scoprì che contrazioni ritmiche e alternate potevano essere evocate nei muscoli
deafferentati delle zampe posteriori, immediatamente dopo una sezione trasversa
del midollo spinale; su questa base postulò il concetto di half-center,
per cui i flessori e gli estensori si inibivano reciprocamente, dando luogo ai
movimenti alternati dell’andatura.
Da questi studi pionieristici
furono dedotti quattro concetti alla base della neurofisiologia locomotoria:
1)
i comandi sopraspinali non
sono necessari per la genesi degli schemi motori dei passi;
2)
il ritmo di base di ogni
andatura è generato da circuiti neuronici appartenenti esclusivamente al
midollo spinale;
3)
tali circuiti spinali possono
essere modulati dal cervello mediante una segnalazione tonica discendente;
4)
le reti spinali generatrici
dei pattern locomotori non richiedono input sensitivi, tuttavia
sono strettamente regolate dall’input propriocettivo degli arti.
Per circa mezzo secolo dopo
queste acquisizioni, la fisiologia del movimento non si occupò di cercare di
identificare i meccanismi alla base del camminare o correre umano e animale, ma
si focalizzò sullo studio delle vie spinali riflesse e sui processi di
integrazione sinaptica che hanno luogo nel midollo spinale. Negli anni Sessanta
ebbe inizio la moderna ricerca sul controllo neurale della locomozione, grazie
a due progressi sperimentali: l’evocazione mediante farmaci adrenergici di
schemi ritmici di attività motoria in animali spinali; l’induzione in gatti
decerebrati, mediante stimolazione elettrica di una circoscritta regione
troncoencefalica (area locomotoria mesencefalica), del movimento
locomotorio necessario a tenersi in moto da fermi su un tapis roulant.
Dopo queste osservazioni
vennero gli studi che dimostrarono definitivamente che l’output motorio
per la locomozione è primariamente prodotto da un sistema di cellule nervose
del midollo spinale. La ricerca ha poi indagato una quantità di campi
neurofunzionali connessi, dall’uso delle informazioni visive da parte
della corteccia motoria per regolare il passo su caratteristiche ambientali
specifiche e contingenti, al ruolo del cervelletto nella regolazione
sincronica e di intensità dei segnali discendenti.
Torniamo ora alla scoperta, da
parte di Jared M. Cregg e colleghi, della popolazione di neuroni mesencefalici reticolospinali che
consente l’alternanza degli arti dei due lati.
Le vie discendenti, che
raggiungono i centri spinali generatori degli schemi centrali di
locomozione, inviano informazioni preziose relative al passo e alla velocità
di esecuzione. È importante sottolineare che le funzioni di comando per l’esecuzione
dei passi e per la temporizzazione della sequenza ripetitiva e stereotipata sono
simmetriche; pertanto, si è ritenuto da tempo che la direzione dei movimenti
asimmetrici, e particolarmente la scelta di muovere un arto del lato destro o
sinistro, sia sotto il controllo di un sistema distinto e finora sconosciuto. Jared M. Cregg e colleghi hanno
condotto analisi morfologiche e funzionali che hanno consentito loro di
focalizzare l’attenzione sui neuroni denominati con la sigla Chx10.
Le cellule nervose Chx10 presentano assoni
che formano prevalentemente fasci di connessione ipsilaterale. I ricercatori ne
hanno studiato la funzione in topi liberi di muoversi nel loro ambiente
circoscritto: l’attivazione selettiva unilaterale dei neuroni Chx10
determinava la genesi di movimenti di rotazione dallo stesso lato dell’antimero
spinale stimolato. Al contrario, l’esperimento di inibizione selettiva
unilaterale causava movimenti di rotazione controlaterali alla sede del
blocco funzionale.
La registrazione motoria appaiata destra/sinistra ha
consentito di identificare meccanismi distinti per i movimenti
direzionali mediati via circuiti spinali assiali e degli arti.
L’ultima parte della sperimentazione è stata dedicata da
Jared M. Cregg e colleghi all’identificazione
di regioni sensomotorie del cervello che proiettano specificamente sui neuroni
reticolospinali Chx10. L’analisi del ruolo di queste cellule nervose
ha consentito di rilevare e poi dimostrare che la loro attivazione
unilaterale può impartire i comandi direzionali sinistra-destra.
L’insieme dei dati emersi dalla sperimentazione, per il
cui dettaglio si rinvia alla lettura del testo integrale del lavoro originale,
identifica un sistema motorio discendente che comanda i movimenti
alternati dei due lati nella locomozione.
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-23 maggio 2020
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