La corteccia risparmia energia
riducendo la precisione nel codificare
ROBERTO
COLONNA
NOTE E NOTIZIE - Anno XVIII – 20 novembre
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]
L’elaborazione dell’informazione da parte del
sistema nervoso centrale, e del cervello in particolare, è un processo che richiede
un elevato dispendio energetico, ma siamo abituati a pensare che una
restrizione delle risorse energetiche non interferisca sulla qualità dell’elaborazione.
Questa convinzione si basa sulla comune esperienza della conservazione di
lucidità mentale ed efficienza cognitiva nel digiuno protratto, e sulla nozione
di un aumento del livello delle prestazioni intellettive nei giovani sottoposti
a intensi sforzi di studio, dopo aver saltato i pasti, in quanto l’attività cerebrale,
in particolare della corteccia, quando per bassa disponibilità di glucosio
ematico è costretta a utilizzare gli acidi grassi tratti dalle riserve
lipidiche, sembra migliorare l’apprendimento.
Ma queste esperienze, probabilmente in gran parte
dovute allo sfruttamento di meccanismi di compenso, possono ingannare su quanto
realmente accade e circa la possibilità che la restrizione di apporto
alimentare, che ordinariamente induce, ad esempio, nella corteccia visiva risparmio
di ATP mediante la riduzione di correnti attraverso i recettori AMPA del
glutammato, causi effetti diretti sull’elaborazione dell’informazione. Tale
possibilità è infatti oggetto di numerose indagini sperimentali.
Zahid Padamsey e colleghi dell’Università di Edimburgo hanno
studiato la codifica dell’informazione e l’uso di energia nel cervello in
condizione di deficit di apporto alimentare, mediante la registrazione dalla
cellula nervosa intera e l’imaging bifotonico negli strati 2/3 della corteccia cerebrale di
topo. Il risultato è di notevole interesse.
(Padamsey Z., et al., Neocortex saves energy by reducing coding precision during food scarcity. Neuron - Epub ahead of print doi:10.1016/j.neuron.2021.10.024, 2021).
La provenienza degli autori è la seguente: Centre for Discovery Brain Sciences, School of
Biomedical Sciences, University of Edinburgh, Edinburgh (Regno Unito); Simons Initiative for the Developing Brain, University
of Edinburgh, Edinburgh (Regno Unito).
Come si è già accennato, mediante registrazione W-CR
(whole-cell recording) e imaging bifotonico, Zahid
Padamsey, Nathalie L. Rochefort e colleghi hanno
analizzato l’attività dei neuroni degli strati 2/3 della corteccia cerebrale
dell’area visiva del topo dopo aver effettuato una restrizione dell’apporto
alimentare: in queste condizioni hanno rilevato una riduzione della conduttanza
nei recettori AMPA del glutammato, con la conseguente riduzione dell’uso dell’ATP
sinaptico del 29%. In altri termini, si determina un risparmio di ATP, e dunque
energetico, di circa un terzo rispetto al regime fisiologico in presenza di un’alimentazione
sufficiente alle necessità metaboliche di base dell’organismo.
I parametri indicatori dell’eccitabilità neuronica
indicavano una condizione funzionale preservata mediante un aumento compensatorio
nella resistenza dell’input e un potenziale di riposo depolarizzato. In
conseguenza di questo adattamento, i neuroni facevano registrare picchi di
potenziali d’azione alle stesse frequenze dei topi di controllo con
alimentazione normale, ma consumavano meno ATP per le correnti eccitatorie
sottostanti.
Questa strategia di risparmio energetico aveva un
costo, perché amplificava la variabilità delle risposte
sottosoglia evocate dalla visione, portando a un 32% di estensione della
sintonia di orientamento e invalidava la discriminazione visiva fine.
Questa riduzione nella precisione del
processo di codifica era associata a livelli ridotti di leptina, l’ormone
regolato dalla massa lipidica, e la sperimentazione di verifica ha dimostrato
che somministrando supplementi di leptina esogena si otteneva un
recupero della fisiologica codificazione precisa.
Nell’insieme i risultati di questo studio, per i cui
dettagli tecnici si rinvia alla lettura integrale del testo dell’articolo originale,
rivelano che lo stato metabolico dell’animale regola dinamicamente l’energia
spesa per la precisione del processo di codifica nella neocorteccia. In altri
termini, i neuroni della corteccia cerebrale, durante i periodi di scarsità di
cibo che un animale affronta periodicamente negli ambienti naturali, e che
possiamo accostare ai digiuni abituali e protratti delle persone anoressiche, riduce
la precisione della codifica corticale, come fosse un lusso, per risparmiare
energia da impiegare per i processi vitali.
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”).
Roberto Colonna
BM&L-20 novembre
2021
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