Come la cocaina altera la genetica neuronica

 

 

DIANE RICHMOND

 

 

NOTE E NOTIZIE - Anno XX – 14 ottobre 2023.

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]

 

Esattamente un anno fa abbiamo pubblicato in una notula il risultato di uno studio condotto mediante trattografia MRI da Sarah G. King e colleghi, che ha individuato negli assuntori di cocaina danni cerebrali, evidenti come ridotta coerenza nella connessione tra corteccia prefrontale e abenula, una struttura importante nei comportamenti indotti da ricompensa e avversione[1]. Da quando si è avuta certezza dei danni arrecati al genoma da questa sostanza di abuso, gli studi che indagano meccanismi e processi delle alterazioni indotte stanno fornendo un quadro sempre più dettagliato di una realtà che i clinici fino a tre lustri fa non potevano nemmeno immaginare. La nostra costante attenzione agli sviluppi della ricerca in questo campo ci porta a recensire frequentemente lavori interessanti, ma per inquadrare il valore della ricca messe di dati emergenti è necessaria una conoscenza di base.

Riporto qui di seguito, con qualche modifica, un brano di un mio precedente articolo[2] per introdurre i lettori non specialisti dell’argomento ad alcuni aspetti fondamentali nello studio della cocaina.

La cocaina (benzoilmetilecgonina, C17H21NO4) è un alcaloide estratto dalle foglie di coca, noto da lungo tempo come stimolante del sistema nervoso centrale con sede prevalentemente corticale, inibitore dell’appetito ed anestetico locale. È nozione farmacologica consolidata che le dosi basse e moderate di cocaina inducono incremento di attività, loquacità, euforia, sensazione di benessere, resistenza alla fatica e riduzione dell’assunzione di cibo[3]. Con il crescere delle dosi si ha induzione di attività motoria ripetitiva e comportamenti stereotipati; a dosi ancora maggiori si ha ipertermia, convulsioni, coma e morte[4].

È intensamente studiata per le gravi conseguenze che determina il suo consumo come sostanza psicotropa d’abuso. È, infatti, una reinforcing drug[5] che appartiene alla classe degli stimolanti psicomotori[6]. L’azione si esplica principalmente attraverso l’interazione con le proteine trasportatrici (DAT, SERT, NET) dei neurotrasmettitori monoamminici dopamina, serotonina e noradrenalina, con inibizione della ricaptazione ed aumento extracellulare del mediatore[7]. L’incremento della quota delle amine biogene che si possono legare al recettore post-sinaptico è determinato anche da altri effetti dell’alcaloide, fra cui l’internalizzazione del DAT.

L’iperstimolazione dei recettori delle monoammine porta ad una complessa cascata di eventi post-sinaptici che interessa molte regioni dell’encefalo e molti sistemi di neurotrasmissione: in sintesi, un adattamento neuronico implicante modificazioni dell’espressione genica di breve e lungo termine e variazioni funzionali temporanee (incluso lo sviluppo di LTP da parte di sinapsi eccitatorie sui neuroni dopaminergici della VTA). Questo adattamento implica importanti effetti sulla trasmissione glutammatergica, sia perché il glutammato ha un ruolo centrale nella plasticità sinaptica - e la compulsione è la conseguenza di una forma di plasticità alterata - sia perché, in molte regioni cerebrali ad innervazione dopaminica, la regolazione è determinata da inputs convergenti di glutammato e dopamina, con la catecolamina come neuromodulatore. La trasmissione dei sistemi a glutammato del nucleo accumbens ha un’importanza critica nel determinare il comportamento di ricerca della cocaina da parte del ratto reso sperimentalmente dipendente. Infine, ricordiamo che gli effetti psicomotori della cocaina più noti e studiati, sono mediati dalla segnalazione dei recettori della dopamina D1 e D2 via PKA.

Lüscher e colleghi hanno accertato che la plasticità precoce indotta da cocaina nella VTA inverte le regole della plasticità dipendente dall’attività, in tal modo conducendo al comportamento di assunzione compulsiva dell’alcaloide[8].

La cocaina attraversa facilmente la placenta e la barriera ematoencefalica del feto ed entra rapidamente nel sistema nervoso centrale, dove può agire sui suoi bersagli molecolari. Penetrata nel cervello, la benzoilmetilecgonina esercita un’azione farmacologica che causa effetti tossici anche a distanza di tempo: è stato documentato lo sviluppo di alterazioni comportamentali di lungo termine in vari periodi post-natali. Numerosi studi hanno dimostrato che l’esposizione della madre alla cocaina durante la gestazione può perturbare lo sviluppo fetale e causare alterazioni della maturazione sinaptica nella prole, per primi Camilla Bellone, Manuel Mameli e Christian Lüscher del Dipartimento di Neuroscienze di Base della Facoltà di Medicina dell’Università di Ginevra, hanno rilevato un difetto di maturazione sinaptica post-natale che interessa l’input eccitatorio ai neuroni dopaminergici nell’area tegmentale ventrale (VTA)[9].

Da questi studi la ricerca ha preso varie direzioni, e una delle più stimolanti sta indagando il modo in cui la cocaina altera i programmi di regolazione genica specifici per tipo neuronico. Jessica L. Zhou, Giordano de Guglielmo e numerosi colleghi hanno indagato specificamente ciò che accade nel complesso nucleare dell’amigdala.

(Zhou J. L., et al., Single-nucleus genomics in outbred rats with divergent cocaine addiction-like behaviors reveals changes in gene amygdala GABAergic inhibition. Nature Neuroscience – Epub ahead of print doi: 10.1038/s41593-023-01452-y, 2023).

La provenienza degli autori è la seguente: Bioinformatics and Systems Biology Program, University of California San Diego, La Jolla, CA (USA); Integrative Biology Laboratory, Salk Institute for Biological Studies, La Jolla, CA (USA); Department of Psychiatry, University of California San Diego, La Jolla, CA (USA); Department of Medicine, University of California San Diego, La Jolla, CA (USA); Department of Integrative Structural and computational Biology, The Scripps Research Institute, La Jolla, CA (USA).

È opportuna una breve introduzione sull’aggregato nucleare a forma di mandorla che è stato indagato per la genetica al livello di singole cellule dagli autori dello studio qui recensito.

L’amigdala o corpo nucleare amigdaloideo[10] è un agglomerato nucleare pari e simmetrico grigio-rossastro a forma di mandorla del diametro di 10-12 mm, situato nella profondità dorso-mediale del lobo temporale, in prossimità topografica della coda del nucleo caudato, ma non collegata fisiologicamente al controllo motorio e procedurale dei nuclei del corpo striato. L’amigdala, da una parola greca che vuol dire mandorla, occupa la parte anteriore del giro paraippocampico e la parte iniziale dell’uncus, sporgendo davanti al corno di Ammone. Descritta in anatomia con i nuclei della base telencefalica, al suo interno è composta da aggregati di pirenofori che formano una dozzina di piccoli nuclei classificati in vario modo, anche se più spesso ripartiti in tre aree: amigdala laterale (AL), amigdala centrale (AC) ed amigdala basale (AB). In neurofisiologia l’amigdala è tradizionalmente considerata parte del sistema limbico ma, come è noto, la concezione di Paul McLean secondo cui l’insieme delle aree filogeneticamente più primitive costituiva una unità funzionale, detta anche cervello emotivo, è venuta a cadere nel tempo e l’amigdala è stata indagata spesso separatamente o nei suoi rapporti con aree neocorticali.

Alla luce delle conoscenze attuali non è più possibile ipotizzare ripartizioni funzionali ingenue con ruoli localizzati in singoli comparti, tuttavia al suo interno l’amigdala ha mostrato una specializzazione che vede implicati, ad esempio, nella mediazione del comportamento sessuale, i nuclei mediale e posteriore e, nella paura, i nuclei laterale e centrale.

Anche se negli ultimi decenni è stata studiata soprattutto in relazione alla paura e all’apprendimento della paura condizionata, i suoi sistemi neuronici intervengono in una gamma considerevole di processi, quali quelli relativi al conferimento di valori d’affezione a stimoli percettivi, alle associazioni con stimoli sessuali, alle risposte di attenzione motivata in chiave di interesse edonico o di allerta e di allarme. Inoltre, come faceva rilevare il nostro presidente, numerosi studi suggeriscono che questo complesso nucleare, con le sue estese connessioni, svolga un ruolo critico nella regolazione di vari comportamenti cognitivi e sociali, oltre che affettivo-emotivi[11].

Il ruolo dell’amigdala[12] nella mediazione della paura, con i suoi patterns di attivazione fisiologica, ne ha anche suggerito lo studio per la comprensione del comportamento dei mammiferi nel procurarsi il cibo evitando il pericolo di essere aggrediti[13]/[14].

L’amigdala regola dunque numerosi comportamenti legati a emozione, motivazione e memoria ed è implicata in vari disturbi neuropsichiatrici, inclusa la tossicodipendenza da cocaina. L’uso di varie sostanze psicotrope d’abuso induce l’amigdala a formare memorie associate alla molecola e rinforza il comportamento di ricerca della sostanza esperita; durante i periodi di astinenza negli assuntori, l’amigdala è mediatrice di stati emozionali negativi, quali ansia, paura e irritabilità. Per evitare la sofferenza legata a questi stati, gli assuntori cercano di assumere per tempo una nuova dose, e questo accresce il valore incentivo della sostanza, causando comportamenti costantemente rivolti a cercare la droga e facendosi responsabile delle ricadute di coloro che tentano di smettere.

I ruoli delle sub-regioni dell’amigdala, quali l’amigdala baso-laterale (BLA) e l’amigdala centrale (CeA), così come le loro connessioni, sono bene definite e stabilite, ma il ruolo delle popolazioni neuroniche e gliali che le compongono non è ancora stato indagato in modo specifico e approfondito.

Recentemente, il sequenziamento dell’RNA di singoli nuclei e la tecnica snATAC-seq (single-nucleus assays for transposase-accessible chromatin) hanno consentito lo studio di funzioni cellulari del cervello, stabilendo le differenze tra uomo, topo e primati non umani. L’applicazione di queste tecniche alla neurobiologia dell’addiction è ancora molto limitata: è stata usata per analizzare i cambiamenti trascrizionali indotti da cocaina e morfina nei roditori, ma sono stati impiegati ceppi inbred, cosa che ha limitato l’esame di differenze di suscettibilità ai comportamenti di addiction mediati geneticamente.

Jessica L. Zhou, Giordano de Guglielmo e colleghi hanno superato questo limite realizzando una snRNA-seq e snATAC-seq usando tessuto nervoso dell’amigdala di uno stock eterogeneo outbred (HS) di ratti, ottenuto da un grande studio genetico sui tratti legati alla dipendenza da cocaina.

I ricercatori hanno in tal modo realizzato un atlante dell’espressione genica per singolo nucleo e dell’accessibilità della cromatina nell’amigdala di ratti outbred con due livelli di comportamento da dipendenza dopo astinenza prolungata: alto o basso.

I geni espressi in modo differente nei due gruppi, a comportamento dipendente alto e a comportamento dipendente basso, erano più numerosi per il metabolismo energetico, in tutti i tipi cellulari. I ratti ad alto indice di dipendenza (HAI, high addiction index) presentavano più marcati comportamenti simili alla ricaduta dei tossicodipendenti e un’accresciuta attività neurotrasmissiva GABAergica da parte degli interneuroni dell’amigdala. Entrambi i fenotipi potevano essere eliminati mediante l’inibizione farmacologica dell’enzima gliossalasi 1, che metabolizza il metil-gliossale, un agonista dei recettori GABA-A prodotto per glicolisi.

Le differenze nell’accessibilità cromatinica tra alto e basso indice di dipendenza implicavano fattori di trascrizione agenti da apri-pista delle famiglie basic helix-loop-helix, FOX, SOX e activator protein 1. Zhou, de Guglielmo e colleghi hanno rilevato una regolazione opposta dell’accessibilità cromatinica fra diversi tipi cellulari dell’amigdala. In particolare: i neuroni eccitatori presentavano una maggiore accessibilità nei ratti ad alto indice di dipendenza (HAI), mentre i neuroni inibitori mostravano una maggiore accessibilità nei ratti a basso indice di dipendenza (LAI, low addiction index).

I risultati di questo studio aggiungono una nuova importante tessera al costruendo mosaico delle alterazioni dell’espressione genica causate da cocaina.

 

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-14 ottobre 2023

www.brainmindlife.org

 

 

 

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[1] Note e Notizie 15-10-23 Notule.

[2] Note e Notizie 26-02-11 Destabilizzazione da cocaina del genoma cerebrale.

[3] L’interferenza con i meccanismi fisiologici della fame può, in alcuni casi e in alcune circostanze, determinare l’effetto paradosso dell’iperfagia.

[4] A questi ben noti effetti acuti si devono aggiungere quelli cronici, che si identificano con i sintomi del danno causato ai vari distretti dell’organismo: ipersomnìa/insonnia, letargia, fame insaziabile, riduzione dell’attenzione, aumentato rischio di ictus cerebrale; rinorrea, congestione nasale, disturbi della voce, dispnea, broncospasmo, asma, emottisi; dolori anginoidi, aumentato rischio di infarto del miocardio, aumentato rischio di morte in cardiopatici, febbre, eosinofilia; abrasione dentale; disturbi cutanei associati a prurito.

[5] Per rinforzo si intende lo speciale effetto di “stamp in” collegato al piacere ed evolutosi per amplificare, attraverso la ripetizione, i comportamenti che portano ad ottenere una ricompensa sessuale o alimentare. La proprietà di rinforzare associazioni apprese di sostanze impiegate compulsivamente ed in grado di causare dipendenza ed effetti tossici alle dosi efficaci (tossicodipendenza) si attribuisce prevalentemente all’attivazione dei neuroni dopaminergici dei sistemi mesocorticolimbici (“sistema a ricompensa”). Tali neuroni dall’area tegmentale ventrale del mesencefalo (VTA) proiettano ad aree corticali e limbiche implicate nell’elaborazione della motivazione, della compulsione e di risposte emotive. Fra queste aree sembra avere un ruolo particolarmente importante per il rinforzo il nucleo accumbens, che funge da interfaccia fra le regioni limbiche e corticali implicate nella motivazione, da un canto, e i circuiti motori importanti per l’esecuzione di comportamenti motivati. Il rinforzo causato dalle sostanze d’abuso è conseguenza di un’interferenza artificiale con sistemi naturali che si sono evoluti per 1. conservare la specie, attraverso meccanismi di amplificazione dei comportamenti che favoriscono la riproduzione, e 2. conservare l’individuo, mediante l’amplificazione dei comportamenti che favoriscono l’assunzione di cibo.

[6] Classe alla quale appartengono anche i derivati dell’amfetamina.

[7] In passato si riteneva la cocaina un inibitore della ricaptazione della sola dopamina, poi, numerosi esperimenti con topi knockout per gli altri trasportatori, hanno dimostrato l’importanza, per il rinforzo, dell’inibizione anche di SERT e NET (si ricorda che l’acronimo deriva dalla “E” di epinephrine, equivalente di adrenaline).

[8] Note e Notizie 05-03-11 La cocaina inverte le regole della plasticità sinaptica nella VTA.

[9] Note e Notizie 05-03-11 La cocaina in gravidanza altera la maturazione cerebrale dopo la nascita.

[10] L’esposizione che segue è tratta da un brano di una relazione tenuta in precedenza dal presidente della Società Nazionale di Neuroscienze (si veda in Note e Notizie 20-11-10 Basi cerebrali della psicopatia, un disturbo ignorato dal DSM – quarta parte).

[11] Note e Notizie 10-09-11 Amigdala più grande nei figli di madri depresse.

[12] Per una sintetica descrizione anatomo-funzionale dell’amigdala si veda in Note e Notizie 18-12-10 Amigdala centrale quale sede della segnalazione delle omissioni e un brano di una relazione del presidente della Società Nazionale di Neuroscienze, Giuseppe Perrella, in Note e Notizie 20-11-10 Basi cerebrali della psicopatia, un disturbo ignorato dal DSM – quarta parte.

[13] Note e Notizie 15-01-11 Amigdala e rischio di essere predati cercando il cibo.

[14] V. anche: Note e Notizie 25-06-22 Amigdala umana e apprendimento associativo.