Il tempo giusto dei pasti è codificato dai neuroni AgRP

 

 

DIANE RICHMOND

 

 

NOTE E NOTIZIE - Anno XX – 25 novembre 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]

 

L’assunzione di cibo da parte degli animali in ambiente naturale segue uno schema routinario regolare, se non proprio fisso, circa i momenti della giornata, secondo una temporizzazione che appare come una memoria della specie. Non si tratta però di una funzione che obbedisce a un semplice ritmo circadiano, perché il suo controllo è innanzitutto integrato con le informazioni necessarie al mantenimento dell’omeostasi energetica dell’organismo, e poi è flessibilmente adattato alle condizioni interne, come ad esempio uno stato di sazietà in un’ora del giorno in cui i ritmi neuroendocrini generalmente determinano fame, o alle circostanze esterne, come la necessità di rispondere con attacco o fuga a una minaccia per l’organismo all’ora del pasto. Inoltre, l’animale può apprendere un ritmo alimentare diverso da quello di base tipico della specie per effetto del ripetersi di circostanze ambientali condizionanti.

L’importanza per la fisiologia dell’organismo di seguire la regolarità biologica dell’assunzione del cibo è evidente anche nella nostra specie, caratterizzata da quel vasto spettro di variazioni legate alla latitudine, alla nazione, alla cultura e ai comportamenti sociali squisitamente umani. La ragione principale di questa importanza consiste nel fatto che l’assunzione del cibo sincronizza i ritmi metabolici.

Per cercare di comprendere in che modo l’organismo definisce la temporizzazione quotidiana dell’assunzione di cibo, non possiamo non interrogare la fisiologia di una popolazione di neuroni da decenni nota per la sua capacità di leggere e interpretare lo stato energetico fisiologico del momento, innescando il comportamento di assunzione del cibo, ossia le cellule nervose esprimenti la proteina AgRP (agouti-related protein). Nonostante una grande messe di dati sperimentali raccolti negli anni su queste cellule, la loro regolazione in termini di scala temporale quotidiana non è stata ancora definita.

Nilufer Sayar-Atasoy e colleghi, prendendo le mosse dall’obiettivo di stabilire con certezza il ruolo dei neuroni AgRP nello schema temporale quotidiano di assunzione degli alimenti, hanno affrontato una realtà complessa e affascinante e vi hanno fatto luce in modo esemplare.

(Sayar-Atasoy N., et al., AgRP neurons encode circadian feeding time. Nature Neuroscience – Epub ahead of print doi: 10.1038/s41593-023-01482-6, 2023).

La provenienza degli autori è la seguente: Department of Neuroscience and Pharmacology, University of Iowa, Iowa City, IA (USA); Department of Physiology, School of Medicine, Yeditepe University, Istanbul (Turchia); Department of Physiology, School of Medicine, Regenerative and Restorative Medical Research Center (REMER), Istanbul Medipol University, Istanbul (Turchia); Fraternal Order of Eagles Diabetes Research Center (FOEDRC), Roy J. and Lucille A. Carver College of Medicine, University of Iowa, Iowa City, IA (USA).

Per introdurre il lettore non specialista alla neurofisiologia del controllo alimentare, riprendo alcuni brani da un articolo di Giovanni Rossi dello scorso anno[1] e da altre recensioni precedenti.

La regolazione del comportamento alimentare in rapporto ai bisogni energetici dell’organismo, che la neurofisiologia classica focalizzava sull’antagonismo di due aree ipotalamiche e sull’omeostasi del glucosio, si è rivelata una funzione complessa e articolata, garantita dall’integrazione e dall’equilibrio di numerosi processi fisiologici. Dopo l’epoca classica, in cui si studiavano gli effetti anoressigeni di lesioni dei nuclei laterale e perifornicale dell’ipotalamo e oressigeni delle lesioni del nucleo ventromediale, con esito, rispettivamente, in cachessia e obesità, è emersa una realtà costituita da reti neuroniche in rapporto con sistemi di regolazione periferici.

Gli eleganti esperimenti realizzati mediante parabiosi, chiarirono i ruoli di due geni nel topo: ob (obesità) e db (diabete), aprendo la via a una prima importante distinzione necessaria per comprendere l’architettura fisiologica della regolazione energetica dell’organismo: l’esistenza di due ordini di processi: 1) equilibrio energetico a lungo termine e 2) bilancio energetico attuale.

Leptina e insulina contribuiscono all’equilibrio energetico a lungo termine, mentre grelina e colecistochinina, rilasciate da stomaco e intestino, segnalano lo stato vuoto dello stomaco e pieno dell’intestino, contribuendo all’equilibrio energetico a breve termine. I segnali a lungo e a breve termine interagiscono per controllare il comportamento alimentare dell’animale.

Ancora, nel citato articolo di Giovanni Rossi, si ricorda l’importanza “di veri e propri sistemi legati alla mediazione molecolare da parte di peptidi quali NPY (o Y), AgRP e α-MSH di processi noti nel profilo fisiologico generale” ma che richiedono ancora di essere indagati. Qui di seguito si riporta una sintesi di nozioni fondamentali già proposte in precedenza, cominciando dai già citati esperimenti di parabiosi:

… gli esperimenti di parabiosi hanno consentito di stabilire che il controllo del cervello sullo stato del tessuto adiposo avviene grazie ad un segnale umorale, poi identificato in una specifica molecola. In pratica, venivano uniti i sistemi circolatori di coppie di topi, l’uno portatore nel gene chiamato obesity (ob) di una mutazione omozigotica recessiva che causa obesità patologica ed ipotermia, l’altro normale. Il collegamento chirurgico parabiotico normalizzava il peso corporeo e la temperatura del topo mutante. Si comprese che il topo mutante mancava di un segnale proveniente dai depositi di grasso che produce un controllo a feedback sulla quantità di cibo da assumere ed un controllo a feed-forward sul dispendio energetico.

Anche i topi con una mutazione omozigotica del gene del diabete (db) sono obesi. In questo caso, l’esperimento parabiotico di collegamento con un topo sano, non solo non riusciva a correggere i difetti patologici del membro ammalato della coppia parabiotica, ma causava emaciazione e morte del povero topolino sano. A differenza del topo ob/ob, il roditore db/db produce il segnale circolante, ma manca di un recettore funzionale. Si comprese che tale segnale è elevato nel topo obeso db/db, al punto da causare una riduzione di assunzione di cibo ed un aumento del dispendio energetico tale da risultare fatale al povero compagno parabiotico[2].

Circa 25 anni dopo i primi studi di parabiosi, il segnale circolante, il recettore mutato e i loro geni furono identificati. Jeffrey Friedman e colleghi isolarono un ormone peptidico cui fu dato il nome di leptina (dal greco leptos che vuol dire snello, sottile) per il suo ruolo nell’accrescere il consumo di energia e ridurre l’assunzione di alimenti. La molecola, prodotta prevalentemente dagli adipociti in quantità direttamente proporzionali al grasso immagazzinato, agisce attraverso il legame a recettori della superfamiglia delle citochine alla periferia e nel cervello, dove giunge grazie al trasporto attraverso la barriera emato-encefalica. In condizioni fisiologiche, nelle persone con un peso nella norma, la leptina contribuisce alla riduzione dell’assunzione di cibo e all’aumento del consumo energetico, della lipolisi e della termogenesi. Nella maggior parte delle persone obese si rilevano alti tassi di leptina, come se il loro organismo fosse diventato insensibile o resistente all’azione del suo segnale. Esiste una rara condizione clinica dovuta ad una mutazione del gene ob che causa una vera e propria mancanza di leptina: tali persone, affette da obesità patologica con ipotermia, possono essere curate efficacemente con la somministrazione di leptina che progressivamente riduce il peso corporeo e normalizza la temperatura.

L’insulina, prodotta dalle cellule β delle isole di Langerhans del pancreas, presenta una correlazione positiva con la massa grassa e, come la leptina, riduce l’assunzione di alimenti e accresce la termogenesi. È stato osservato, provato sperimentalmente e confermato che, durante il digiuno, i livelli di leptina e insulina si riducono prima che si abbia la riduzione del grasso dei depositi, in tal modo le scorte adipose sono rapidamente reintegrate quando si riprende a mangiare.

La leptina e l’insulina circolanti si legano nel cervello ai recettori delle due popolazioni neuroniche prima menzionate che, come già ricordato, hanno sede nella formazione grigia dell’ipotalamo mediale che prende il nome di nucleo arcuato. Le due popolazioni rispondono in maniera opposta ai due ormoni peptidici ed hanno influenze opposte sull’equilibrio energetico.

L’antagonismo fra segnali anabolici e catabolici provenienti dal nucleo arcuato dell’ipotalamo è illustrato dall’azione del peptide AgRP che è fisiologicamente un antagonista endogeno dei recettori della melanocortina MC3 e MC4. L’agonista naturale di questi recettori è l’α-MSH secreto dagli specifici neuroni del nucleo arcuato quando l’organismo è in stato catabolico. L’AgRP blocca l’effetto dell’ormone di ridurre l’assunzione di alimenti, aumentare il dispendio energetico e ridurre l’immagazzinamento di grasso. L’iniezione del neuropeptide Y nell’ipotalamo innesca l’attività alimentare, promuove la lipogenesi e riduce il comportamento che consuma energia. Così, il rilascio di entrambi gli ormoni peptidici produce un feedback anabolico, effetti di feed-forward che favoriscono l’aumento di peso, mentre sopprimono la segnalazione nella via catabolica antagonistica. Proiezioni di neuroni del nucleo arcuato alle regioni paraventricolari e laterali dell’ipotalamo trasmettono la segnalazione veicolata da leptina e insulina circolanti[3][4].

Sulla base di queste nozioni sarà possibile apprezzare il valore e la portata dello studio qui recensito.

Nilufer Sayar-Atasoy e colleghi hanno impiegato, nel topo, una combinazione di studi di misura della dinamica dei neuroni con esperimenti di attivazione optogenetica temporizzata. In tal modo hanno rilevato e dimostrato che l’attività quotidiana dei neuroni AgRP non era del tutto coerente con i modelli esistenti di regolazione omeostatica. Invece di operare come un deprivation counter, l’attività dei neuroni AgRP primariamente seguiva il ciclo circadiano riposo-attività attraverso un processo che richiedeva un nucleo soprachiasmatico dell’ipotalamo (l’orologio biologico principale dell’organismo) integro e una sincronizzazione operata dalla luce.

I ricercatori hanno sperimentato l’imposizione di nuovi pattern di assunzione di cibo attraverso un accesso agli alimenti temporalmente ristretto, oppure mediante stimolazione periodica dei neuroni AgRP. Tali misure sono risultate sufficienti a risincronizzare il ritmo dell’attività giornaliera di questi neuroni e a portare a un comportamento simil-anticipatorio attraverso un processo che richiedeva neuroni DMHPDYN.

Questi risultati indicano che i neuroni AgRP integrano informazioni sull’ora del giorno in cui sono avvenuti i pasti nelle precedenti esperienze di alimentazione con le esigenze metaboliche attuali, per definire il ritmo circadiano dell’alimentazione.

 

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-25 novembre 2023

www.brainmindlife.org

 

 

 

________________________________________________________________________________

 

La Società Nazionale di Neuroscienze BM&L-Italia, affiliata alla International Society of Neuroscience, è registrata 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 05-11-22 Nuovi neuroni a neurotensina per il controllo alimentare.

[2] Per inciso, gli autori della nota prendono le distanze dall’etica di questi esperimenti che si sono rivelati crudeli per gli animali di laboratorio. Più in generale, la maggioranza dei membri della nostra società scientifica auspica l’estensione degli studi su sistemi cellulari e molecolari in vitro, restringendo la sperimentazione in vivo ai casi di assoluta insostituibilità, in condizioni che non risultino crudelmente dannose o letali per l’animale.

[3] Cfr. Shizgal P. B. & Hyman S. E. Homeostasis, Motivation and Addictive States, pp. 1095-1115, in Principles of Neural Sciences (Kandel, Schwartz, Jessel, Siegelbaum, Hudspeth) fifth edition, McGraw-Hill, 2013.

[4] Note e Notizie 26-11-16 Scoperto un circuito rapido della sazietà regolato da αMSH. Vedi anche Note e Notizie 07-05-22 Anoressia per uno shift nella interazione tra neuroni a serotonina e a dopamina.