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

www.brainmindlife.org

 

 

 

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[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.