Il cervelletto via talamo modula un
avvio corticale di moto dipendente dal contesto
GIOVANNI ROSSI
NOTE E NOTIZIE - Anno XVIII – 26 giugno
2021.
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]
Eseguire
il comportamento motorio appreso richiede spesso la trasformazione di stimoli
sensoriali in pattern di comandi motori, che generano azioni espresse in
modo appropriato grazie alla temporizzazione corretta delle componenti
neurofunzionali. Il cervelletto e il talamo sono due strutture con
ruoli chiave per il compito di dare forma all’output corticale e al
movimento che ne deriva, ma il preciso contributo di una via
cerebello-talamo-corticale all’avvio del movimento volontario rimane
scarsamente compreso.
Joshua
Dacre e colleghi hanno indagato come uno stimolo “vai!” (go cue) trasforma
i patterns di attività talamocorticale e come questi cambiamenti sono
rapportati all’avvio dei movimenti. Gli interessanti risultati ottenuti
mostrano il ruolo del cervelletto nel dar forma all’attività talamocorticale
che avvia il movimento appreso dipendente dal contesto.
(Dacre J., et al., A
cerebellar-thalamocortical pathway drives behavioral context-dependent movement
initiation. Neuron – Epub ahead of print doi: 10.1016/j.neuron.2021.05.016, first published June 18, 2021).
La provenienza degli autori è la seguente: Centre for Discovery Brain
Sciences, Edinburg Medical School: Biomedical Sciences, University of Edinburgh,
Edinburgh (Regno Unito); Janelia Research Campus, HHMI, Ashburn, VA (USA).
Si propone
qui di seguito un’introduzione sul cervelletto con particolare riferimento alla
corteccia cerebellare, tratta da una recensione recente[1].
Il cervelletto è quella parte dell’encefalo che occupa la fossa
cranica posteriore ed è presente in tutti i vertebrati con uno sviluppo
proporzionato a quello del cervello. Si presenta costituito da tre parti: una
struttura mediana di minore dimensione denominata verme cerebellare,
corrispondente al cervelletto primitivo presente anche nei più bassi vertebrati
(paleocerebello), e due espansioni laterali dette emisferi cerebellari.
È situato nella loggia cerebellare delimitata dal tentorio e si sviluppa sotto
il cervello, dietro il ponte, sopra il bulbo. Il suo diametro trasverso
raggiunge un massimo di dieci centimetri, mentre verticalmente supera raramente
i cinque centimetri per un peso complessivo medio di 140 g, ossia l’ottava
parte del peso del cervello. I solchi del cervelletto consentono di ripartirlo
in tre lobi e numerosi lobuli, accuratamente descritti dagli antichi anatomisti
secondo criteri che non hanno trovato riscontro fisiologico o utilità clinica.
Il fascino esercitato sugli antichi morfologi dalla struttura corticale
cerebellare costituita da innumerevoli lamelle è stato superiore a quello dell’organizzazione
in rami e ramoscelli diretti ai lobuli della sostanza bianca del centro
midollare o tronco, cui diedero il suggestivo nome di albero della vita.
Contrariamente a quanto creduto da alcuni studiosi contemporanei di storia
della medicina, questa denominazione non trae affatto origine dall’erronea attribuzione
al cervelletto di un ruolo vitale nella fisiologia dell’organismo, ma dall’analogia
morfologica con la tuia (Thuja, L. 1753), una pianta arborea sempreverde
delle Cupressaceae che presenta, al posto di foglie larghe, verdi diramazioni
e sotto-diramazioni multiple costituite da minuscole scagliette foliacee[2]. A differenza del cervello,
in cui la sostanza bianca ha un’enorme espansione indipendente con le sue strutture
interemisferiche e il centro ovale di Vieussens, entrando solo perifericamente nella
costituzione dei giri corticali, nel cervelletto l’aggregato pirenoforico
corticale segue come un rivestimento tutte le diramazioni della sostanza bianca
che, nell’aspetto morfologico macroscopico delle sezioni dell’organo, appare
come un semplice complemento della preponderante struttura grigia.
La corteccia del cervelletto ha lo spessore di un millimetro o un
millimetro e mezzo, e al taglio rivela due zone di aspetto differente: 1) uno strato
esterno o superficiale di colore grigio pallido; 2) uno strato interno o
profondo dal colorito tendente al fulvo rossastro, che giustifica la definizione
di strato rugginoso.
L’esame microscopico della corteccia cerebellare consente di distinguere
uno strato esterno o molecolare, che costituisce circa la metà dell’intera
struttura e presenta abbondanza di fibre e scarsità di cellule, e uno strato
interno o granuloso caratterizzato da numerosissime cellule.
Fra queste due lamine di tessuto grigio si interpone uno strato intermedio
o zona mediana, sottile ma caratterizzata da una fila di neuroni esclusivi del
cervelletto e dalla morfologia inconfondibile: le cellule di Purkinje.
Le cellule di Purkinje sono disposte a formare una fila abbastanza
regolare, anche se a tratti si notano lievi irregolarità, perché alcuni di
questi neuroni inibitori GABAergici sono dislocati verso la superficie esterna
della corteccia, non in linea con la maggioranza, tanto da meritarsi il nome di
“cellule spostate”, con il quale erano state descritte da Santiago Ramon y Cajal.
Le cellule di Purkinje sono piriformi, con l’asse maggiore di 50-60 micron e una
larghezza non superiore ai 25-30 micron, e presentano al polo superiore,
rivolto verso la superficie esterna della corteccia, un tronco dendritico di
grande calibro che si divide presto in grosse diramazioni principali, dalle
quali originano, con una morfologia che ricorda un po’ quella dei rami della
quercia, diramazioni secondarie e terziarie, che penetrano nello strato
molecolare. L’espansione a ventaglio si risolve in una “lussureggiante arborizzazione
che si può seguire fino alla superficie piale”[3], secondo la descrizione classica.
Sui rami si possono osservare le numerosissime spine dendritiche, che in
questi neuroni sono state accuratamente studiate nell’ultrastruttura al microscopio
elettronico. È interessante la disposizione della fitta arborizzazione dendritica
delle cellule di Purkinje, che Obersteiner paragonò a una pianta di vivaio
fatta sviluppare intorno a un “sostegno a spalliera”, da cui la denominazione
di spalliera dendritica che si adotta attualmente. Questa struttura è
infatti disposta su un piano ortogonale rispetto a quello principale della lamella
della corteccia del cervelletto, per cui si dice che l’arborizzazione a
spalliera “si espande per traverso alla lamella”[4].
Dal polo opposto o interno della cellula di Purkinje origina il neurite
che diventa cilindrasse, ossia assone rivestito di mielina[5], presentando la caratteristica
di un diametro inferiore a quello del tronco dendritico, all’opposto di quanto
accade per la maggior parte dei neuroni. Dopo un tratto più o meno breve, l’assone
emette rami collaterali, alcuni dei quali terminano nello strato granuloso
mentre altri risalgono come collaterali retrogradi fino al molecolare dove
assumono decorso orizzontale e terminano circondando con una terminazione
anulare il tronco dendritico della stessa cellula, di un’altra o di numerose
altre cellule di Purkinje, realizzando un controllo inibitorio retrogrado dell’input
che arriva dalle sinapsi formate dalle spine della spalliera dendritica con i
neuriti dei neuroni che compongono la citoarchitettonica corticale. Dopo aver
emesso i collaterali, proseguendo il suo percorso, il neurite entra con la
miriade di altri cilindrassi omologhi nella sostanza midollare, dove costituisce
la connessione diretta ai nuclei centrali del cervelletto, ossia la via cortico-nucleare
cerebellare.
In estrema sintesi la struttura della corteccia cerebellare può essere
schematizzata come segue.
1)
Lo strato molecolare,
esterno, caratterizzato dalla cellula dei canestri: contiene
ramificazioni dendritiche delle cellule di Purkinje, le fibre rampicanti
e i rami orizzontali dei neuriti dei granuli, che costituiscono la maggioranza
delle fibre di questo strato.
2)
Lo strato granuloso,
interno, caratterizzato dal tipo neuronico del granulo e dai caratteristici
glomeruli cerebellari nei quali si incontrano le fibre muscoidi e
i dendriti dei granuli. Tutto lo spessore è attraversato da fibre muscoidi
e fibre rampicanti, come da tutte le altre fibre afferenti, e contiene il
corpo delle cellule a pennacchio, particolari elementi della glia descritti
per la prima volta da Cajal.
3)
Lo strato intermedio delle
cellule di Purkinje attualmente descritto come parte dello strato
molecolare, che è stato considerato in passato l’elemento base del
cervelletto. Infatti, alle singole cellule di Purkinje, che ricevono segnali
dalle fibre rampicanti direttamente e dalle fibre muscoidi indirettamente per
interposizione dei granuli, e forniscono l’unico output dalla corteccia,
è stato dato il nome di “cervelletto istologico”.
La corteccia del cervelletto è la regione dell’encefalo
in cui è stata stabilita con maggiore precisione la correlazione fra anatomia e
fisiologia, e l’affascinante ricerca che ha portato alla definizione della sua
architettura cellulare ha avuto inizio nel 1888 con gli studi realizzati da
Santiago Ramòn y Cajal, usando il metodo dell’impregnazione argentica di
Camillo Golgi, ed è proseguita nel secolo successivo grazie soprattutto alle
osservazioni di sir John C. Eccles e collaboratori. Dalla scuola di Eccles
proveniva Rodolfo R. Llinas, che nel 1975 integrò il suo contributo sperimentale
in una sintesi schematica e concettuale resa in una iconografia ancora oggi
adoperata per illustrare la disposizione nelle tre dimensioni dello spazio degli
elementi che formano i circuiti della corteccia cerebellare[6].
Con questi studi classici fu anche definita
la natura delle fibre muscoidi e delle fibre rampicanti. Entrambi
i tipi di assoni sono eccitatori, ma obbediscono a criteri funzionali differenti
e sostanzialmente opposti.
Le fibre rampicanti provengono da formazioni
distanti, come il nucleo olivare inferiore, e ciascuna si dirige verso la cellula
di Purkinje che costituisce il suo specifico bersaglio fin dallo sviluppo embrionario
e sulla quale forma anche più di 300 sinapsi: la scarica della fibra rampicante
è estremamente violenta e fa scomparire ogni attività del neurone di Purkinje,
come fu dimostrato già nel 1964 da Eccles, Sasaki e Llinas.
Le fibre muscoidi, al contrario, eccitano
numerose cellule di Purkinje, formando solo poche sinapsi su ciascuna di esse,
e le raggiungono sempre con l’intermediazione dei piccoli interneuroni detti granuli[7].
Torniamo allo studio di Joshua Dacre e colleghi qui recensito.
La capacità
di generare atti motori appropriatamente temporizzati in risposta a stimoli
sensoriali è un contrassegno distintivo del controllo motorio dei mammiferi. La
temporizzazione dei movimenti è controllata in parte dal cervelletto, come
dimostrano patologie e disfunzioni di questa struttura encefalica, che alterano
la corretta temporizzazione dei treni di scarica in uscita per l’esecuzione dei
movimenti. Fino ad oggi, la via e le dinamiche di circuito responsabili dell’avvio
del movimento rimangono scarsamente definite, con alcune solide nozioni
classiche sulle componenti corticali, ma senza certezze relative all’insieme delle
reti encefaliche responsabili.
Due vie
distinte potrebbero contribuire all’avvio del movimento: il tratto
cerebello-rubro-spinale, come è stato ipotizzato da Asanuma (1983), Gibson
(1985) e Teune (2000), oppure la via cerebello-talamocorticale, emersa all’attenzione
più di recente (Bostan, 2013; Gornati, 2018; Horne e Butler, 1995; Kuramoto, 2009;
Nashef, 2019).
La candidatura
a questo ruolo per la via cerebello-talamocorticale è sostenuta dall’attività
nel nucleo dentato e nuclei interposti (DN/IPN) e nelle regioni talamiche
motorie riceventi, che precede l’inizio del movimento, mentre la perturbazione
dell’attività in entrambe le regioni altera la temporizzazione delle azioni
innescate da segnali sensoriali.
Joshua
Dacre e colleghi hanno indagato come uno stimolo sensoriale di start
motorio trasforma gli schemi di attività talamocorticali e come questi
cambiamenti si rapportano all’inizio del movimento. Le risposte delle
popolazioni neuroniche site nelle regioni DN/IPN del talamo motorio riflettono
un incremento di attività time-locked immediatamente prima dell’avvio
del movimento che è temporalmente disaccoppiato dallo stimolo di start,
indicativo di un segnale di temporizzazione motoria a feedforward e latenza
fissa.
Il blocco
dell’uscita funzionale del cervelletto o di quella motoria del talamo sopprime
l’avvio del movimento, mentre la stimolazione innesca i movimenti secondo un
comportamento dipendente dal contesto.
I
risultati di Joshua Dacre e colleghi mostrano come l’uscita cerebellare, per
via talamica, modellino l’attività corticale necessaria per l’avvio di movimenti
appresi dipendenti dal contesto.
L’autore della nota ringrazia la dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e
invita alla lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione
“NOTE E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).
Giovanni Rossi
BM&L-26 giugno 2021
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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] Note e Notizie 26-09-20 La corteccia del cervelletto
umano è sorprendente.
[2] Il nome greco θυία
vuol dire “cedro” ed è stato dato per l’odore emanato dal legno di questa
pianta. Originaria di Cina, Giappone, Alaska e regione dei grandi laghi del
Nord America, in latino era detta Arbor vitae; come vuole la legge linguistica
del “conservatorismo della periferia”, in America si è mantenuta la forma
latina abbandonata in Europa ed è ancora chiamata arborvitae. L’origine
della denominazione della sostanza bianca cerebellare è riportata nel Trattato
di Anatomia Umana di Testut e Latarjet (vol. III, p. 241, UTET, Torino 1974
e seguenti ristampe), nel quale la translitterazione dal greco è resa con thuya.
[3] Testut e Latarjet, op. cit., vol.
III, p. 242.
[4] Testut e Latarjet, op. cit., ibidem.
[5] Ricordiamo che fu Purkinje, lo
scopritore di queste cellule, che introdusse il termine “cilindrasse” per denominare
l’assone rivestito da mielina nel sistema nervoso centrale e distinguerlo dai
neuriti delle fibre amieliniche.
[6] Llinas R. R., La corteccia del cervelletto. Le
Scienze 81, maggio 1975, ristampato in Il Cervello – organizzazione e
funzioni (a cura di Angelo Majorana), Le Scienze Editore, pp. 120-131, Milano
1978.
[7] Note e Notizie 26-09-20 La
corteccia del cervelletto umano è sorprendente.