Neuroplasticità e riparazione del midollo spinale

 

 

GIOVANNI ROSSI

 

 

NOTE E NOTIZIE - Anno XIX – 29 gennaio 2022.

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]

 

Le lesioni del midollo spinale costituiscono da sempre una minaccia per la qualità della vita dei pazienti e, nonostante gli straordinari progressi nelle conoscenze neurobiologiche degli ultimi trent’anni – dalla scoperta di molecole e processi che ostacolano la rigenerazione alla possibilità di riprogrammare cellule progenitrici – e una visione più dinamica del sistema nervoso centrale dopo la scoperta dei tre siti di neurogenesi dell’adulto[1], in molti casi di incidenti ed eventi traumatici che interessano il contenuto dello speco vertebrale il paziente rimane confinato a vita su una sedia a rotelle. La perdita immediata di movimento nel distretto corporeo corrispondente al tratto a valle il livello della lesione è la ragione principale che induce da decenni a studiare la plasticità del sistema motorio del midollo spinale per trovare nuove strategie di riparazione del danno e cercare di superare gli ostacoli che hanno vanificato nella realtà clinica l’efficacia di tante terapie sperimentali.

John H.  Martin, in una rassegna ragionata degli studi più recenti, ha focalizzato l’attenzione sulla corteccia motoria e sul tratto cortico-spinale che costituiscono gli elementi neuroanatomici essenziali per la genesi, la produzione e l’esecuzione dei movimenti volontari.

La corteccia motoria proietta direttamente al midollo spinale attraverso il tratto corticospinale nelle sue componenti diretta e crociata e indirettamente mediante relais nel tronco encefalico. Con la perdita per lesione della continuità del fascio di cilindrassi, ossia di assoni rivestiti di mielina oligodendrocitica che veicolano l’informazione proveniente dai neuroni motori superiori della corteccia e diretta ai motoneuroni alfa e gamma spinali, le vie indirette possono in teoria bypassare il danno e svolgere una funzione vicariante che potrebbe permettere ugualmente il controllo volontario. Questa possibilità costituisce uno degli aspetti di maggiore attualità in questi studi, accanto alla possibilità di ottenere con la stimolazione elettrica della corteccia lo sviluppo di nuove sinapsi corticospinali, all’analisi della competizione sinaptica tra fibre discendenti cortico-spinali e afferenti propriocettivi e allo studio del potenziamento (LTP) delle sinapsi formate dai neuriti corticali sugli interneuroni spinali.

(Martin J. H., Neuroplasticity of spinal cord injury and repair. Handbook of Clinical Neurology 184: 317-330, 2022 – Epub ahead of print doi: 10.1016/B978-0-12-819410-2.00017-5, 2022).

La provenienza degli autori è la seguente: Department of Molecular, Cellular and Biomedical Sciences, Center for Discovery and Innovation, City University of New York School of Medicine, New York, NY (USA); Neuroscience Program, Graduate Center of the City University of New York, New York, NY (USA).

Riportiamo qui di seguito qualche cenno di anatomia per introdurre il lettore non specialista.

Il midollo spinale, protetto dagli involucri meningei, occupa i due terzi superiori del canale o speco vertebrale, continuandosi in alto col bulbo o midollo allungato e in basso terminando con la cauda equina. La struttura midollare esercita uno specifico controllo segmentario del tronco e degli arti, inviando segnali somatomotori (oltre che viscero-effettori), attraverso le radici ventrali che emergono anteriormente, e ricevendo segnali somatosensitivi (oltre che viscerosensitivi simpatici) dalle radici dorsali, dove il neurone sensitivo è situato nel ganglio della radice dorsale.

Le connessioni afferenti ed efferenti sono organizzate nella compagine di 31 paia di nervi spinali. Il midollo spinale è costituito da una parte più interna di materia grigia, centralmente percorsa dal canale centrale del midollo spinale, e perifericamente circondata dalla sostanza bianca dei fasci assonici, posteriormente ascendenti e anteriormente discendenti, che costituiscono le vie di collegamento specifiche con l’encefalo e di connessione interna attraverso tratti brevi intersegmentari[2].

Nell’organizzazione macroscopica della sostanza bianca del midollo si distinguono, per ciascun lato, un cordone anteriore, un cordone laterale e un cordone posteriore. Per la mancanza di una netta separazione tra cordone anteriore e cordone laterale, alcuni parlano di cordone antero-laterale.

Nelle sezioni trasverse si apprezza la costituzione interna del midollo, con la classica forma ad “H” della materia grigia, detta anche “a farfalla”, con i due corni ventrali funzionalmente motori e i due corni dorsali sostanzialmente sensitivi. Nel complesso, la materia grigia del midollo è formata da due spesse lamine simmetriche a direzione dorso-ventrale riunite da un tratto trasversale. Osservato nel diametro cranio-caudale, l’interno del midollo è costituito da ciascun lato o antimero da una colonna grigia anteriore e una colonna grigia posteriore. Nelle sezioni trasversali ad alcuni livelli si vede una piccola sporgenza grigia aggiuntiva corrispondente al sito di localizzazione dei corpi cellulari dei neuroni simpatici pregangliari. Il grigio che circonda il canale centrale e costituisce il segmento orizzontale dell’H è detto commessura grigia, distinta in dorsale e ventrale. La punta del corno dorsale, dove entrano le fibre provenienti dal ganglio spinale[3], è separata dalla superficie da un sottile tratto di sostanza bianca descritto per la prima volta da Lissauer col nome di zona marginale e oggi denominato tratto dorsolaterale di Lissauer, che è un aggregato di cilindrassi in cui le fibre ascendono e discendono per un breve segmento prima di entrare nella materia grigia sottostante.

Le connessioni interne del midollo spinale, come quelle del tronco encefalico, sono particolarmente interessanti come basi di risposte riflesse, quali il riflesso di estensione (o allungamento), il riflesso gamma, importante per la fisiologia del circuito γ, e il riflesso flessorio, a proposito del quale si ricorda l’importanza del segno di Babinski, che indica la lesione del tratto corticospinale e consiste nella risposta patologica di immediata flessione con retrazione dell’arto inferiore quando si evochi l’estensione plantare mediante lo strisciamento di una punta sull’aspetto laterale della pianta del piede.

La struttura della materia grigia midollare è caratterizzata da numerosi tipi cellulari: motoneuroni alfa e gamma, cellule inibitorie di Renshaw agenti sui motoneuroni alfa, cellule del secondo tipo di Golgi (sempre tra gli interneuroni inibitori), cellule funicolari, cellule radicolari viscero-effettrici, cellule somatosensitive, ecc. L’organizzazione del grigio midollare presenta due aspetti rilevanti: 1) i tipi cellulari del midollo (cellule radicolari, cellule funicolari, ecc.) sono raggruppati in pool con le stesse connessioni; tali pool di neuroni corrispondono ad altrettanti nuclei o colonne; 2) la difficoltà di precisare i limiti dei territori nucleari ha suggerito una ripartizione in lamine dell’organizzazione del grigio, efficace per localizzare i nuclei: nove lamine dalla I alla IX più la X che corrisponde alla commessura grigia.

La distinzione paradigmatica in tratti ascendenti e tratti discendenti del midollo spinale è anche storicamente importante perché ha costituito fino al ventesimo secolo il paradigma di base per lo studio dell’organizzazione compartimentata del sistema nervoso centrale.

In particolare, la principale struttura sensitiva del cordone posteriore, formata dai fascicoli gracile di Goll e cuneato di Burdach che compongono il lemnisco mediale nella via spino-bulbo-talamo-corticale, che veicola le informazioni della sensibilità tattile epicritica, propriocettiva cosciente e pallestesica (sensibilità vibratoria) attraverso il nucleo ventro-postero-laterale del talamo alle aree somestesica primaria e secondaria sulla corteccia sensitiva del giro post-centrale, e la principale struttura motoria del cordone anteriore, ossia la via cortico-spinale o piramidale, tradizionalmente (anche se non correttamente) distinta nei due fasci cortico-spinale diretto e crociato, hanno rappresentato il modello per comprendere le basi macroscopiche elementari del rapporto tra morfologia e funzione del sistema nervoso.

Tratti ascendenti. Oltre ai menzionati tratti del fascicolo gracile e del fascicolo cuneato che costituiscono il lemnisco mediale[4], vi sono i fasci spino-talamico e spino tettale che costituiscono il lemnisco spinale, i tratti spino-cerebellari (in particolare il tratto spinocerebellare dorsale, diretto, che ha origine nel nucleo dorsale o “colonna di Clarke” tra i neuromeri C8 e L3 nella lamina VII e il tratto spinocerebellare ventrale, crociato, originante dal nucleo intermedio-mediale della lamina VII), il tratto spino-olivare, la via spino-reticolare[5], la via spino-mesencefalica, la via spino-cervico-talamica, la via spino-pontina.

Tratti discendenti. Originano primariamente dalla corteccia cerebrale – in massima parte da quella motoria – ma anche da numerose sedi del tronco encefalico e presiedono al controllo del movimento, del tono muscolare e della postura. Il tratto corticospinale, originato dalle aree 4, 6, altre aree motorie precentrali, aree situate anteriormente a queste sulla corteccia prefrontale e solo in piccola parte da aree post-centrali, si raccoglie con precisa organizzazione somatotopica nei settori del braccio posteriore della capsula interna e nel ginocchio della capsula interna (fascio genicolato), passa attraverso il piede del peduncolo cerebrale (mesencefalo) e del ponte, andando poi a costituire le piramidi bulbari. Il tratto corticospinale, tradizionalmente distinto in una componente maggiore, il fascio piramidale crociato o fascio cortico-spinale laterale, le cui fibre incrociano al livello delle piramidi bulbari e poi discendono nel cordone laterale del midollo spinale, e in una componente minore o fascio cortico-spinale ventrale o anteriore costituito dal contingente di fibre che non incrocia all’altezza delle piramidi ma prosegue incrociando solo nella commessura anteriore del midollo spinale[6]. Questo contingente di fibre dirette al midollo che non attraversa la linea mediana, detto in passato fascio cortico-spinale diretto, quando non era stato ancora rilevato il passaggio attraverso la commessura anteriore del midollo, sembra essere una prerogativa dell’uomo ed ha un equivalente in alcuni altri primati.

Fra le vie discendenti vi sono il tratto rubro-spinale, il tratto tetto-spinale, il tratto vestibolo-spinale, i tratti reticolospinali, il tratto interstizio-spinale, il tratto solitario-spinale, il tratto olivo-spinale, le fibre ipotalamo-spinali, le fibre cerebello-spinali e, infine, le cosiddette fibre monoaminergiche spinali, ossia assoni di neuroni dopaminergici, serotoninergici, noradrenergici e adrenergici.

Questi cenni anatomici non avevano la pretesa di riassumere la morfologia e l’organizzazione del midollo spinale, per le quali si rimanda ai trattati di anatomia, ma solo di fungere da evocatore di memoria per titoli di argomenti a chi abbia lasciato da tempo questa materia e fornire un’idea generale a chi non abbia mai atteso a questi studi.

Come si è accennato, i neuroni della corteccia motoria, e in particolare i neuroni piramidali giganti o cellule di Betz, proiettano direttamente i loro neuriti come “cilindrassi”, secondo la definizione di assoni rivestiti di mielina che diede Purkinje, nella compagine del tratto cortico-spinale inviando i loro segnali ai neuroni delle colonne anteriori del midollo spinale. Per inciso, i segnali responsabili del movimento, ad esempio dell’arto superiore, seguono un codice universale nei primati e, su questa base, sono stati sviluppati i mezzi di interfaccia elettronica per l’uso nelle persone amputate dell’arto robotico quale protesi attiva in grado di rispondere ai comandi del cervello.

Quando per una lesione si perde la funzione del tratto cortico-spinale, si ha un lieve aumento di attività metabolica e sinaptica nelle reti neuroniche che formano la cosiddetta “via indiretta” di collegamento cortico-midollare, ma non si tratta di una risposta compensativa in grado di avvicinarsi alla possibilità di surrogare la funzione mancante. Per questa ragione si studiano da tempo le possibilità e i metodi per ottenere che la via indiretta possa aggirare la lesione e vicariare il flusso informativo mancante. Si tenga conto che, come alla periferia il nervo innervando il muscolo gli fornisce tono, trofismo e riflessi, così l’innervazione centrale del midollo spinale da parte del tratto proveniente dalla corteccia non si limita a inviare segnali di on/off al momento dell’esecuzione degli atti, ma svolge un ruolo più articolato e costante. Non è dunque semplice ottenere che la segnalazione della via indiretta possa svolgere un ruolo significativo e funzionalmente soddisfacente nel controllo del movimento volontario.

In condizioni fisiologiche e dopo aver subito un danno di natura patologica o traumatica, il midollo spinale è un sito-chiave per la neuroplasticità dipendente da attività del sistema corticospinale.

John Martin riporta che sono stati identificati tre tipi di plasticità dipendente dall’attività:

1)      lo sprouting degli assoni del tratto corticospinale dopo stimolazione elettrica della corteccia motoria;

2)      competizione sinaptica tra il tratto corticospinale e le terminazioni delle fibre afferenti propriocettive;

3)      Potenziamento a lungo termine (LTP) delle sinapsi formate dagli assoni corticospinali con gli interneuroni inibitori GABAergici del midollo spinale.

 

I danni del midollo spinale (SCI, da spinal cord injury) danneggiano le connessioni delle vie motorie discendenti che, a loro volta, innescano una perdita di processi dipendenti da attività delle parti a valle della lesione. Tale perdita di attività causa la degenerazione degli interneuroni inibitori spinali e numerosi cambiamenti maladattativi in rapporto a funzioni dipendenti dall’attività, che si esprimono con iperreflessia, spasticità e spasmi.

Studi su modelli sperimentali hanno dimostrato che la stimolazione elettrica fasica e la corrente diretta tonica possono essere usate per accrescere l’attività dopo SCI, per ridurre le modificazioni e le conseguenze maladattative e degenerative dipendenti da attività.

Recenti prove hanno dimostrato che, quando applicata cronicamente, la neuromodulazione recluta eventi di neuroplasticità che migliorano la funzione dopo SCI promuovendo lo sprouting degli assoni corticospinali dipendente dall’attività e la formazione di nuove giunzioni sinaptiche. Questo aiuta a stabilire nuove connessioni funzionali e rinforza le connessioni di riserva.

Combinando la neuromodulazione finalizzata alla riparazione del danno con la riabilitazione motoria per esercitare i circuiti interessati, John Martin ritiene che si possa promuovere con elevata efficacia il recupero delle abilità e delle prestazioni legate al movimento.

 

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-29 gennaio 2022

www.brainmindlife.org

 

 

 

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[1] Giro dentato, parete dei ventricoli cerebrali e bulbo olfattivo.

[2] Le vie o tratti propriospinali, detti anche fascicoli propri del midollo spinale, collegano neuroni di segmenti diversi del midollo spinale tra loro, molti dei neuroni i cui assoni costituiscono i tratti propriospinali appartengono alle lamine dalla V all’VIII. Nell’anatomia classica si descrivono fasci di associazione che hanno origine dai neuroni funicolari e stabiliscono connessioni tra neuromeri vicini del midollo e sono detti fasci di associazione intersegmentale, distinti in fasci fondamentali dei cordoni anteriore, laterale e posteriore, e fasci discendenti del cordone posteriore, denominati fascio a virgola, fascio ovale e fascio superficiale.

[3] Il ganglio dove ha sede il primo neurone sensitivo. Per questo, per indicare con precisione la sede delle stazioni di una via del cordone posteriore, teoricamente non si dovrebbe dire via spino-bulbo-talamo-corticale come si fa correntemente, ma via ganglio-bulbo-talamo-corticale.

[4] La via spino-bulbo-talamo-corticale dei fascicoli che fanno capo al nucleo gracile di Goll e al nucleo cuneato di Burdach costituisce nella sua organizzazione spaziale nel midollo spinale (v. i trattati di anatomia) e in tutto il percorso fino alla corteccia un modello perfetto di organizzazione somatotopica, che ha guidato la scoperta dell’ordine topografico in tante altre vie nervose. Il principio della definizione di costanti di identità basate su posizioni nello spazio si può considerare, nell’evoluzione del sistema nervoso centrale, un equivalente analogico della classificazione. La tonotopica della coclea è la riprova dell’uso esteso di un tale criterio.

[5] Dai neuroni della formazione reticolare ha origine una via diffusa ascendente denominata lemnisco viscerale.

[6] Per questa ragione non era corretto il nome di fascio cortico-spinale diretto. Si ricorda, inoltre, che anche nel tratto corticospinale principale costituito dalle fibre che attraversano la linea mediana in corrispondenza della decussazione delle piramidi, decorrono, sia pure in minima parte, fibre ipsilaterali.