Via spinogenesi un nuovo meccanismo di apprendimento
DIANE RICHMOND
NOTE E
NOTIZIE - Anno XIX – 11 giugno 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 basi
neurobiologiche dell’apprendimento costituiscono da sempre un campo di
intensa attività, nel quale le scoperte – basti solo pensare ai meccanismi
della memoria a breve e lungo termine o ai fenomeni di LTP e LTD – hanno rappresentato
un progresso fondamentale per tutte le scienze biologiche, tracciando percorsi
di conoscenza costellati da Premi Nobel. L’impegno di numerosissimi gruppi di
ricerca delle più prestigiose istituzioni scientifiche ha portato a un continuo
aggiornamento delle nuove acquisizioni e, anche in ambiti in cui alcuni
processi e meccanismi sono da molto tempo delucidati e confermati, c’è un lento
ma continuo crescere dei dati, il cui accumulo prepara poi transizioni verso nuove
concettualizzazioni.
L’apprendimento,
prendendo ad esempio l’apprendimento motorio, la cui struttura
paradigmatica è conservata nell’evoluzione dei mammiferi nel profilo
molecolare, cellulare e dei sistemi neuronici, induce la formazione di nuove
sinapsi eccitatorie, attraverso un processo che si riconosce dalla formazione
di nuove spine dendritiche. Tale processo è indagato in molti istituti neuroscientifici,
ma le sue proprietà rimangono fino ad oggi ignote. A far luce hanno pensato Nathan
G. Hedrick e colleghi coordinati da Takaki Komiyama, che hanno studiato la corteccia
motoria di topo durante l’apprendimento motorio, riuscendo a
definire una cornice neurobiologica per la formazione, la sopravvivenza e l’attività
funzionale di nuove spine dendritiche prodotte dall’esperienza e necessarie per
le nuove memorie esecutive.
(Hedrick
N. G., et al., Learning binds new inputs into functional synaptic
clusters via spinogenesis. Nature Neuroscience – Epub ahead of print doi: 10.1038/s41593-022-01086-6, 2022).
La provenienza
degli autori è la seguente: Neurobiology Section, Division of Biological
Sciences, University of California, San Diego, La Jolla, CA (USA); Center for
Neural Circuits and Behaviour, University of California, San Diego, La Jolla,
CA (USA); Department of Neurosciences, University of California, San Diego, School
of Medicine, La Jolla, CA (USA); Halicioglu Data Science Institute, University
of California, San Diego, La Jolla, CA (USA); University of California, San
Diego, La Jolla, CA (USA); University of California, San Diego, La Jolla, CA (USA);
University of California, San Diego, La Jolla, CA (USA); National Center for
Microscopy and Imaging Research, University of California, San Diego, La Jolla,
CA (USA).
L’apprendimento
è parte integrante della vita degli organismi e la semplice interazione con l’ambiente
ne rappresenta il presupposto: le cellule eccitabili reagiscono agli stimoli e
la conservazione della risposta è già un apprendimento, ma convenzionalmente si
impiega un criterio che caratterizza e circoscrive questo campo di indagine
nato in seno alla neuropsicologia. Per apprendimento si intende un
processo di acquisizione di conoscenza del mondo dal quale deriva un
cambiamento comportamentale, mentre per memoria si intende il processo
mediante il quale la conoscenza è codificata, immagazzinata e rievocata. Come
si può facilmente notare, si tratta di una distinzione che deriva dalla
neuropsicologia, anche se è stata estesa alla neurobiologia[1].
Le spine
dendritiche sono piccole protrusioni della cellula nervosa sporgenti dal
profilo dei dendriti e costituenti il principale compartimento
post-sinaptico nelle giunzioni eccitatorie. Le spine dendritiche
cambiano in numero, forma e dimensione durante la vita, e tali cambiamenti sono
stati posti in relazione con la formazione e la riorganizzazione delle reti
neuroniche necessarie all’apprendimento e alla memoria.
Siccome le spine
dendritiche nel cervello sono circondate da un importante microambiente
costituito da cellule viciniori e matrice extracellulare, la loro protrusione
richiede lo sviluppo di forza meccanica per premere contro queste strutture e
ottenere l’eruzione dell’estroflessione del nevrilemma con il suo contenuto. È
stato anche studiato l’effetto della forza meccanica di eruzione sulle cellule
vicine. Si può osservare che un processo di così grande costo energetico deve
necessariamente produrre un grande vantaggio evoluzionistico per essersi
affermato. Recentemente sono state identificate proteine BDP (BAR-domain
protein) quali protagoniste del processo di deformazione della membrana che
avvia la formazione delle spine. Inoltre, le forze per l’estensione dei
fillopodi dendritici e per l’espansione delle spine indotta dall’attività, si è
visto che sono generate attraverso la cooperazione tra la polimerizzazione dell’actina
e il clutch coupling[2].
Nathan G.
Hedrick e colleghi hanno usato l’imaging bifotonico longitudinale in vivo
e hanno integrato le informazioni ottenute con questa metodica con quelle della
microscopia elettronica delle spine dendritiche dei neuroni studiati
nella regione motoria della corteccia cerebrale di topo, durante sessioni di
apprendimento motorio.
Gli elementi
morfologici e i dati raccolti dai ricercatori indicano che la formazione di
nuove spine dendritiche durante la registrazione dell’esperienza di movimento è
guidata dal potenziamento di spine pre-esistenti raccolte in raggruppamenti
o grappoli funzionali ed esibenti attività associata al compito
sperimentale durante le prime sessioni di apprendimento. Nathan G. Hedrick e
colleghi presentano chiare evidenze che questo potenziamento di raggruppamenti
funzionali è direttamente responsabile della promozione della crescita locale
di fillopodi multipli emergenti dai dendriti più prossimi, localmente testando
e campionando il neuropilo adiacente per potenziali partner assonici,
probabilmente via targeting di preesistenti bottoni presinaptici.
A questo punto,
i ricercatori descrivono un tipico meccanismo edelmaniano di selezione
competitiva con sopravvivenza delle sinapsi funzionalmente migliori e, dunque,
darwinianamente più adatte: le giunzioni formatesi con successo erano poi
selezionate per la sopravvivenza in base alla co-attività con spine vicine
associate al compito, assicurandosi che le nuove spine formate preservassero il
raggruppamento funzionale. La risultante attività localmente coerente
delle nuove spine segnala il movimento appreso.
I ricercatori
hanno poi accertato un dato di notevole rilievo: la maggioranza delle nuove
spine dendritiche, generate per effetto dell’apprendimento, formava sinapsi con
terminali assonici in precedenza assenti, cioè non rappresentati in quel
particolare dominio dendritico.
In
conclusione, l’apprendimento richiede il legame di flussi di nuova informazione
a raggruppamenti sinaptici funzionali al fine di sostenere i comportamenti acquisiti.
L’autrice 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”).
Diane Richmond
BM&L-11 giugno 2022
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Firenze, Ufficio Firenze 1, in data 16 gennaio 2003 con codice fiscale 94098840484,
come organizzazione scientifica e culturale non-profit.
[1] Schacter e Wagner, che trattano il
capitolo dedicato a memoria e apprendimento nei Principles of Neural Science
di Kandel e colleghi, introducono nelle neuroscienze questo criterio
neuropsicologico, cioè derivato dagli studi anatomo-clinici neurologici e
autoptici sull’uomo. In passato, la neurobiologia concepiva questi due concetti
sul modello dell’apprendimento condizionato dell’Aplysia di Kandel e non
implicava il concetto di conoscenza (knowledge), che indica il
sapere astratto umano, per riferirsi all’acquisizione di un automatismo riflesso.
[2] Minegishi T., et al. Mechanical regulation of synapse
formation and plasticity. Semin Cell Dev Biol – AOP doi:
10.1016/j.semcdb.2022.05.017, Jun 1, 2022.