Accoppiamento efaptico
per inibire le cellule di Purkinje
GIOVANNI ROSSI
NOTE E NOTIZIE - Anno XVII – 10 ottobre
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]
Si dice che la corteccia cerebrale sia
condotta dall’inibizione perché la maggioranza delle sue cellule è
costituita da interneuroni gabaergici, costantemente attivi mediante un tono
inibitorio che esercita un controllo sulle innumerevoli sinapsi eccitatorie dei
sistemi glutammatergico[1], delle amine biogene, dell’acetilcolina e di tutti gli altri neurotrasmettitori
che determinano la propagazione post-sinaptica del potenziale d’azione nel
cervello. L’inibizione di sinapsi eccitatorie tenute pronte da scariche toniche
sotto-soglia è una regola generale per il controllo delle grandi reti responsabili
della fisiologia del sistema nervoso centrale, e a questa regola non fa
eccezione il cervelletto che, apparendo al vaglio sperimentale come una
complessa struttura di regolazione, è al suo interno gestito da una fine trama
di processi che ottengono l’ottimizzazione delle attività attraverso forme
calibrate di repressione. Il tentativo di decifrare i principi e le regole del
controllo inibitorio di tutti i sistemi cerebellari è una parte essenziale
della ricerca sulla neurofisiologia di questa struttura, alla quale abbiamo
dedicato di recente un articolo di recensione[2].
Oggetto di intense ricerche è il
controllo inibitorio esercitato dai sistemi eccitatori. Le fibre rampicanti
provenienti dal nucleo olivare inferiore formano forti sinapsi
eccitatorie sui dendriti delle cellule di Purkinje del cervelletto ed
evocano risposte distintive di questa attività note con la definizione inglese
di complex spikes. Kyung-Seok Han e colleghi hanno scoperto un
meccanismo verosimilmente basato sull’accoppiamento efaptico, che
consente agli assoni rampicanti di inibire rapidamente e
temporaneamente i principali neuroni inibitori cerebellari.
(Han K-S., et al. Climbing fiber synapses
rapidly and transiently inhibit neighboring Purkinje cells via ephaptic
coupling. Nature Neuroscience
– Epub ahead
of print doi: 10.1038/s41593-020-0701-z, 2020)
La provenienza
degli autori è la seguente: Department of Neurobiology, Harvard Medical School,
Boston, Massachusetts (USA); Department of Medical Biotechnology, Dongguk
University Gyeongju, Gyeongju
(Corea del Sud).
L’accoppiamento efaptico è un
fenomeno che accompagna gli eventi più noti della neurotrasmissione sinaptica
con mediatore chimico, non facile da studiare ma rilevante nel sistema nervoso
centrale[3] per le sue conseguenze fisiologiche e anche concettualmente, perché la
realizzazione di efapsi artificiali, ottenute mediante l’accostamento di
due assoni, ha avuto un ruolo cruciale nella storia della ricerca che ha
portato alla scoperta delle sinapsi, della loro fisiologia e della neurotrasmissione.
La trasmissione elettrica per propagazione di potenziali al di fuori di strutture
sinaptiche specializzate avviene normalmente nel nostro sistema nervoso, anche
se ha un ruolo ancillare e spesso considerato trascurabile rispetto allo
specifico, potente e rapido sistema di segnalazione mediante neurotrasmettitori
e recettori. Ripercorriamo brevemente questo percorso sperimentale.
Quando si cominciavano a scoprire la
basi biofisiche della trasmissione dell’impulso nervoso, alla fine degli anni
Trenta, non si riusciva a comprendere se il potenziale elettrico della membrana
del neurone presinaptico fosse sufficiente a generare l’impulso nel neurone postsinaptico.
Nel 1940 furono condotti i primi esperimenti con efapsi formate in laboratorio
fra due assoni, che sembrarono dimostrare l’efficacia del flusso elettrico nell’attraversare
la giunzione e condurre l’eccitazione. Un’analisi accurata condotta da Bernard
Katz e O. H. Schmitt rilevò che la fibra attiva attraverso l’efapsi induce
nella fibra a riposo una risposta trifasica: prima depressione, poi
eccitazione, poi di nuovo depressione; ma in genere lo stimolo è troppo debole
per avviare un potenziale d’azione nella fibra ricevente. In particolare, il
vaglio sperimentale dimostrava che il massimo effetto eccitatorio non superava
mai il 20% della soglia richiesta per lo sviluppo di un vero potenziale d’azione
nel secondo assone. Dunque, l’eccitazione elettrica rilevata sulla membrana degli
assoni sembrava essere alla base della trasmissione sinaptica ma, per aversi la
conduzione di un potenziale d’azione da un neurone all’altro, dovevano
intervenire altri fattori. Arvanitaki corresse la
concentrazione di Ca2 della soluzione in cui erano immerse le
efapsi, accrescendone l’eccitabilità: in queste condizioni la trasmissione di
un impulso nervoso fisiologico era possibile, con sviluppo del potenziale d’azione
nell’assone ricevente dell’efapsi, ma solo quando entrambi i neuriti erano
chelati.
Analizzando in dettaglio questi
esperimenti, John Eccles comprese che la trasmissione
sinaptica non poteva funzionare come nelle efapsi artificiali e, in
particolare, non poteva verificarsi in una zona qualsiasi della membrana
neuronica, ma richiedeva una particolare forma di specializzazione molecolare
che consentisse la prevalenza del flusso corrente. Eccles
intuì che l’area di membrana del neurone postsinaptico inclusa nella giunzione
deve possedere la “speciale proprietà della elettrorecezione”.
Questi studi spianarono la strada
alla ricerca che ha portato alla scoperta delle giunzioni sinaptiche[4] e all’attuale conoscenza della struttura delle sinapsi chimiche ed
elettriche, in particolare definendo per queste ultime, che costituiscono l’assoluta
maggioranza delle giunzioni nel sistema nervoso centrale umano, 52 neurotrasmettitori,
numerosi recettori, cicli delle vescicole di neuromediatore, il fenomeno del
rilascio quantico, la ricaptazione e tutti gli altri processi studiati nel
campo fondato dallo stesso Eccles, ossia la sinaptologia.
Nel nostro articolo già citato così
si introduceva l’accoppiamento efaptico cerebrale:
“La funzione nervosa del cervello è sostenuta da
processi elettrochimici che si manifestano come continue fluttuazioni di campo
spaziotemporali. I campi elettrici extracellulari agiscono a feedback sui potenziali transmembrana
mediante l’accoppiamento efaptico, indipendente dalle sinapsi. Lo stato
attuale delle conoscenze non consente di definire l’entità di questo fenomeno
extra-sinaptico, così che, ad esempio, non è noto quanto la normale fisiologia
delle singole cellule nervose e delle reti neuroniche in una struttura
importante come la corteccia cerebrale ne sia influenzata. Chiarire questo
aspetto potrebbe essere di estremo rilievo, oltre che per la neurofisiologia in
generale, anche per la comprensione della patogenesi e della fisiopatologia di alcune
forme di disturbo epilettico, come è stato ipotizzato da alcuni. Cristof Koch, che ha a lungo studiato il potere
computazionale e le proprietà elettrofisiologiche dei neuroni presso
prestigiosi istituti tedeschi ed americani prima di indagare con Francis Crick[5] le basi neurofunzionali della coscienza, ha preso
in seria considerazione questa possibilità, conducendo uno studio
sull’accoppiamento efaptico dei neuroni della corteccia cerebrale”[6]. Poi si osservava: “E’ risultato che i campi extracellulari
inducevano, attraverso la mediazione efaptica, cambiamenti nel potenziale della
membrana del soma neuronico, di meno di 0.5 mV al di
sotto delle condizioni sottosoglia. Nonostante le piccole dimensioni, questi
campi erano in grado di promuovere la genesi di forti potenziali d’azione, in
particolare per le fluttuazioni lente (<8 Hz) del campo extracellulare”[7].
Kyung-Seok Han e colleghi hanno ritrovato l’effetto efaptico nel cervelletto,
studiando un fenomeno di “controllo del controllo”, ossia l’azione esercitata
dai neuroni del complesso olivare inferiore sulle cellule di Purkinje,
il neurone principe della fisiologia cerebellare, che regola mediante l’inibizione
i nuclei profondi della complessa struttura che si nasconde sotto i lobi
occipitali del telencefalo.
Nella corteccia del cervelletto si
descrivono cinque varietà di neuroni, cioè granulari, stellati, a canestro, di
Golgi e di Purkinje, tutte eccetto la prima ad attività inibitoria mediante il
rilascio di acido γ-aminobutirrico (GABA)[8], a testimonianza dell’estesa e complessa attività di regolazione che
questa struttura esercita al suo interno e, attraverso l’unico output costituito
dalle cellule di Purkinje, sui nuclei profondi e vestibolari che regolano vie e
strutture esterne con le quali sono connessi. Le eleganti cellule descritte per
la prima volta nel 1837 dall’anatomista cecoslovacco Jan
Evangelista Purkinje emettono dall’apice del soma piriforme uno o due grossi
tronchi dendritici, ricoperti di spine dendritiche e immediatamente ramificati
in una ricca e regolare arborizzazione sviluppata a forma di ventaglio[9], e costituente la struttura di recezione di questi neuroni che, per la
loro centralità nel circuito principale ripetuto in tutta l’architettura corticale,
hanno meritato il nome di cervelletto istologico.
La stima media del numero delle
spine dendritiche presenti su questa arborizzazione ricevente è di 180.000 per
cellula, con osservazioni che riportano anche più di duecentomila spine in
alcuni casi; una parte rilevante è costituita dalle spine postsinaptiche delle
fibre rampicanti studiate da Kyung-Seok Han e colleghi.
Infatti, Wadiche e collaboratori nel 2001 hanno
contato mediamente intorno alle 500 sinapsi formate su un albero dendritico di
una cellula di Purkinje da una singola fibra rampicante[10]. Queste grandi cellule inibitorie presentano in genere spike
semplici e rapidi, originati spontaneamente o per rilascio di glutammato
da parte degli assoni delle cellule granulari (le cosiddette fibre parallele),
ma di tanto intanto sono attivate dalle fibre rampicanti con spike complessi caratterizzati da potenziali
ampi, seguiti da raffiche di potenziali ad alta frequenza che possono
sopprimere gli spike semplici del
regime ordinario. Il funzionamento elettrico di questi neuroni, che presenta
treni di scarica sia calcio-dipendenti che sodio-dipendenti, è controllato
dalla pompa sodio-potassio con attività che vanno oltre il ruolo ordinario
svolto nelle altre cellule nervose, ed è regolato in modo fine da canali del
calcio scoperti specificamente nella loro membrana da Llinas
e colleghi nel 1989 e detti canali Ca2+ di tipo P (da Purkinje).
Il gruppo di Kyung-Seok
Han ha rilevato in topi svegli[11] che uno spike complesso in una
cellula di Purkinje sopprimeva gli spike semplici
normalmente prodotti dalle cellule di Purkinje vicine a quella che presentava l’evento
elettrico di grande portata. In altre parole, gli spike
complessi, invece di limitarsi a sopprimere quelli semplici della stessa
cellula, eliminavano il fenomeno elettrico minore di numerose grandi cellule
cerebellari della stessa linea, per una durata temporale di vari
millisecondi, ossia un intervallo significativo in questo genere di fenomeni.
L’osservazione ha confermato quanto ipotizzato dai ricercatori, ossia che si
determinava un nuovo accoppiamento efaptico in cui una sinapsi
eccitatoria generava una grande area di segnali extracellulari negativi,
che determinavano inibizione non-sinaptica delle cellule di Purkinje più
vicine, incluse nel raggio dell’azione efaptica.
L’aspetto più interessante e per certi
versi sorprendente della ricerca è consistito nel rilievo dello straordinario
potere conferito da questo meccanismo a un singolo neurone del complesso nucleare
dell’oliva inferiore: una sola cellula può influenzare tutta la
fisiologia cerebellare. Infatti, la dipendenza dalla distanza della
segnalazione efaptica che sopprime i picchi semplici per effetto di quelli
complessi, combinata con la divergenza CF nota, consentiva nel contesto
sperimentale a un solo neurone olivare di influenzare l’output del
cervelletto, sopprimendo sincronicamente la scarica di oltre 100 cellule di
Purkinje.
Kyung-Seok Han e colleghi hanno approfondito
l’analisi di questa straordinaria inibizione efaptica mediante studi optogenetici
e di dynamic clamp
in sezioni di tessuto corticale cerebellare, ossia con un metodo
elettrofisiologico basato su un’interfaccia in tempo reale fra una o più
cellule vive e un computer, per simulare processi dinamici, quali campi e
correnti elettriche di membrana o sinaptiche. Tali metodiche hanno reso
notevolmente evidente che la breve soppressione delle cellule di Purkinje – sia
determinata dalla segnalazione efaptica sia ottenuta in altro modo – può effettivamente
promuovere l’attivazione dei neuroni dei nuclei profondi del cervelletto – non più
inibiti – con notevole velocità e precisione.
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-10 ottobre 2020
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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] Quantitativamente prevalente.
[2] Note e Notizie 26-09-20 La corteccia del cervelletto
umano è sorprendente.
[3] Un segno della scarsa diffusione
della conoscenza di questo fenomeno di comunicazione nervosa intercellulare è
dato dalla difficoltà di trovarne descrizioni al di fuori di trattazioni
specialistiche: in Wikipedia l’unico collegamento esterno alla voce “effetto
efaptico” è un nostro articolo del 2011 (Note e Notizie 22-01-11
Accoppiamento efaptico dei neuroni corticali).
[4] Si ricorda che la prima “sinapsi”
scoperta è stata la giunzione neuromuscolare con il suo mediatore, l’acetilcolina
(ACh), che divenne il prototipo dei neurotrasmettitori: nella ricerca, una
molecola per essere candidata al ruolo di ipotetico neuromediatore doveva
possedere tutti i requisiti caratterizzanti l’ACh nelle sinapsi colinergiche.
[5] Premio Nobel con Watson e
Wilkins per la scoperta della struttura a doppia elica del DNA, Francis Crick
si dedicò alle neuroscienze fin dagli anni Settanta, occupandosi a lungo delle
basi neurali della coscienza, studiando soprattutto processi di elaborazione
cosciente della percezione visiva. Rimase scettico sul valore della teoria della selezione dei gruppi neuronici
di Gerald Edelman, anche se accettò di buon grado i risultati sperimentali che
dimostravano l’esistenza dei gruppi
funzionali teorizzati da Edelman, l’importanza dei due processi selettivi e del rientro.
[6] Note e Notizie 22-01-11
Accoppiamento efaptico dei neuroni corticali.
[7] Note e Notizie 22-01-11
Accoppiamento efaptico dei neuroni corticali.
[8] Le cellule granulari o “granuli
cerebellari” sono le uniche eccitatorie, che rilasciano infatti glutammato,
mentre tutti gli altri tipi cellulari costituenti il caratteristico circuito
della corteccia cerebellare che si ripete indefinitamente nella regolarissima architettura
funzionale, sono di fatto degli interneuroni inibitori gabaergici. Si
ricorda, per inciso, che l’altro mediatore inibitorio, ossia la glicina,
prevale nel midollo spinale.
[9] Per una descrizione precisa e
dettagliata di queste cellule si veda in Note e Notizie 26-09-20 La
corteccia del cervelletto umano è sorprendente, in cui si forniscono anche
le dimensioni che le collocano al secondo posto per grandezza dopo i neuroni piramidali
giganti di Betz della corteccia cerebrale.
[10] Si ricorda che, al contrario
delle fibre rampicanti dirette ciascuna pressoché esclusivamente su una cellula
di Purkinje, le fibre muscoidi eccitano molte cellule di Purkinje con poche
sinapsi per ogni cellula.
[11] Non è un dettaglio da poco, in
quanto l’ipotesi sull’azione di interruttore delle cellule di Purkinje
esercitata dalle cellule rampicanti è stata criticata perché fondata su dati
ottenuti in animali anestetizzati.