Tratto da "Le Scienze"

Una semplice regola per la formazione di nuove sinapsi

Quando la sua attività elettrica scende sotto una soglia critica, per esempio quando non riceve più input da una certa regione della retina, un neurone cerca di ripristinarla creando nuove sinapsi. Sarebbe questo il semplice meccanismo alla base della plasticità cerebrale: le simulazione al computer basate su questo principio omeostatico riescono infatti a riprodurre fedelmente gli schemi di recupero della corteccia visiva di gatti e scimmie così come viene osservata sperimentalmente.

Il cervello umano è il sistema di connessioni più complesso che esiste in natura. Eppure la sua capacità rigenerativa si baserebbe su un principio molto semplice: quando l’attività elettrica scende sotto un certo livello di soglia, i neuroni si attivano per stabilire nuove sinapsi, secondo un meccanismo di omeostasi simile a quello che controlla la regolazione della temperatura corporea o i livelli di zucchero nel sangue. È questa la sorprendente conclusione di un nuovo studio apparso sulla rivista “ PLOS Computational Biology” a firma di Markus Butz del Jülich Supercomputing Center, in Germania, e Arjen van Ooyen della VU University di Amsterdam.

Il sistema nervoso centrale continua a modificarsi per tutta la vita: nel cervello si formano continuamente nuove sinapsi, mentre quelle che non sono più utilizzate degenerano. Questo sofisticato processo, noto come neuroplasticità, riveste un ruolo cruciale non solo nei processi di apprendimento, ma anche nel recupero di un danno cerebrale o altri tipi di deficit funzionale neurologico, ma i meccanismi che lo determinano non sono ancora stati chiariti.

Butz e van Ooyen hanno studiato la corteccia visiva, la regione cerebrale che controlla l'elaborazione delle informazioni che provengono dal senso della vista. In questa regione, circa il 10 per cento delle sinapsi si rigenera continuamente, con percentuali ancora superiori se la retina viene danneggiata. I ricercatori hanno ipotizzato l'esistenza di un principio omeostatico, in base al quale la formazione di nuove sinapsi è regolata dalla tendenza dei neuroni a mantenere un determinato livello di attività elettrica. Se l'attività elettrica media scende sotto un certo valore di soglia, i neuroni iniziano a costruire attivamente nuovi punti di contatto.

Grazie a una simulazione al computer, hanno poi verificato che questo modello consente di riprodurre fedelmente gli schemi di rigenerazione della corteccia visiva osservati sperimentalmente in gatti e scimmie con un danno alla retina. La corteccia visiva è risultata particolarmente adatta a dimostrare questa nuova regola di crescita, per una sua proprietà nota come retinotopia: come in una sorta di “mappatura”, la stimolazione di due punti vicini sulla retina viene elaborata da due regioni vicine nella corteccia visiva. “Dalla nostra simulazione è emerso che le aree della corteccia visiva che non ricevono più alcun input dalla retina iniziano a stabilire collegamenti incrociati, che permettono loro di ricevere più segnali dalle cellule vicine”, spiega Markus Butz. “Questi collegamenti incrociati si formano lentamente dal bordo dell’area danneggiata verso il centro, in un processo che ricorda la guarigione di una ferita, finché non viene ristabilito l’originario livello di attività”.

Alla scoperta del corpo umano...

Cenni di fisiologia del sistema nervoso

Struttura e funzioni 

Il sistema nervoso agisce nella coordinazione di tutte le attività del nostro organismo dalle più banali, come muovere un dito, alle più complesse. Ogni pensiero, ogni gesto, ogni attività è avviata e coordinata grazie al sistema nervoso ed esso agisce con una latenza anche di frazioni di secondo, permettendo risposte immediate alle diverse situazioni. Il sistema nervoso controlla le attività più rapide dell’organismo, segnatamente quelle motorie. Le caratteristiche di base di un sistema nervoso si possono già rintracciare ai livelli più bassi della scala animale. Ad esempio nei tentacoli di un anemone di mare si trovano elementi nervosi che con una estremità raggiungono superfici del tentacolo e con l’altra si mettono in contatto con le strutture muscolari che lo fanno muovere. Ad un livello di sviluppo appena superiore le funzioni sensitive e motorie vengono svolte da elementi nervosi diversi: uno più superficiale avverte gli stimoli (neurone sensitivo) e uno più profondo provoca le contrazioni muscolari (neurone motorio). Il neurone sensitivo eccita il neurone motorio tramite una struttura specializzata chiamata sinapsi. 

Il sistema nervoso centrale è costituito dal midollo spinale, lungo ed esile, racchiuso nel canale vertebrale, e dall’encefalo, racchiuso nella scatola cranica.

Nell’encefalo si distinguono varie parti: in continuità con il midollo spinale vi è il bulbo, sopra il quale vi è il ponte e, posteriormente a questo, il cervelletto.

Il cervelletto contiene due emisferi cerebellari coperti dalla corteccia cerebellare. Si riconoscono i lobi anteriore, posteriore, il lobo flocculomodulare e il verme. I nuclei profondi sono localizzati all’interno degli emisferi cerebellari, ricevono fibre dalla corteccia cerebellare e inviano fibre al ponte.

Nel bulbo e nel ponte vi sono importanti centri della vita vegetativa, quali i centri respiratori e i centri di regolazione delle attività cardiovascolari e centri di regolazione del  tono muscolare. Il cervelletto svolge un ruolo importante nella coordinazione delle attività motorie.

Il ponte è rostrale al bulbo, caudale al mesencefalo e ventrale al cervelletto. Contiene nuclei e fibre da e per il cervelletto. Invia anche fibre alla corteccia cerebrale. Le funzioni del ponte sono: sonno, regolazione del livello globale di attivazione cerebrale.

Il bulbo è la porzione più caudale del cervello che confina con il midollo spinale; contiene nuclei della formazione reticolare. Le sue funzioni sono: sonno, arousal, regolazione della respirazione, frequenza cardiaca, pressione sanguigna.

Sopra il ponte vi è il mesencefalo implicato nella regolazione delle attività motorie e nell’integrazione di importanti riflessi posturali, e cioè di attività automatiche che permettono di assumere e mantenere una posizione normale rispetto alla forza di gravità. Bulbo, ponte  e mesencefalo costituiscono il tronco dell’encefalo che è sede dei muscoli di origine, dei nuclei di origine, dei nervi cranici ed è attraversato in tutta la sua lunghezza dalla formazione reticolare, una rete nervosa che controlla il livello generale di vigilanza e attività. Sopra il mesencefalo vi è il diencefalo che può essere separato in due strutture: ipotalamo e talamo. L’ipotalamo svolge un ruolo importante nelle reazioni emotive e affettive dell’individuo, regola le attività sessuali, l’assunzione di acqua e cibo e la termoregolazione. L`ipotalamo è una regione del cervello situata medialmente e profondamente, in corrispondenza del mesencefalo. Risulta composto da alcuni nuclei di materia grigia collegati fra di loro e con i centri più elevati da una complicata rete di fibre nervose. La sua funzione più nota consiste nel regolare la secrezione dell`ipofisi. L’ipotalamo secerne due ormoni che si accumulano nell’ipofisi prima di venire immessi nel sangue: l’ormone antidiuretico, o vasopressina, che impedisce un’eccessiva perdita d’acqua nelle urine, e l’ossitocina, che stimola le contrazioni uterine durante il parto. Le patologie a carico dell’ipotalamo sono legate a quelle dell’ ipofisi e possono tradursi in vari disturbi della funzionalità ormonale.

Il talamo raccoglie tutta la sensibilità dell’organismo, la organizza per regioni corporee, e la proietta alle aree specializzate della corteccia cerebrale. Questa struttura del cervello è coinvolta nella ricezione delle informazioni nervose. Le due parti del talamo, situate ai lati del terzo ventricolo, nella regione centrale del cervello, sono i più voluminosi nuclei grigi cerebrali. Entrambe le sezioni sono suddivise in numerosi nuclei più piccoli: i più importanti sono il pulvinar (estremità posteriore del talamo) e i due corpi genicolati, esterno e interno, protuberanze del pulvinar.

Il talamo è un centro nervoso che svolge un ruolo di integrazione in gran parte delle funzioni nervose. Riceve le informazioni sensitive provenienti dagli altri centri nervosi e le analizza, per poi trasmetterle alla corteccia cerebrale. Più precisamente, il pulvinar interviene nello schema corporeo (coscienza globale del corpo), mentre i corpi genicolati fungono da centri di collegamento lungo le vie nervose visiva e uditiva.

Il talamo può essere la sede di episodi di ictus, responsabili di una sindrome talamica: emiparesi (paralisi unilaterale minima), deficit sensoriale globale, disturbo sensoriale nel quale qualsiasi stimolazione viene percepita come dolorosa, emianopsia (compromissione di una metà del campo visivo).

Sindrome talamica: nella cosiddetta sindrome talamica vi può essere una abolizione o diminuzione generale di tutte le forme di sensibilità, mentre la soglia degli stimoli dolorosi, termici e tattili, spesso aumenta nel lato opposto alla lesione, provocando sensazioni esagerate, penosissime e pervertite. Anche i suoni melodiosi possono provocare sensazioni insopportabili. Vi è spesso un dolore centrale intrattabile, che non risponde agli analgesici. La maggiore sensibilità agli stimoli dolorosi è nettamente aumentata negli stati di tensione emotiva, e questo dipende dal fatto che la sensazione dolorosa è trasmessa dal talamo, ma elaborata dalla corteccia cerebrale.

La parte più alta del sistema è il telencefalo, costituito da due emisferi cerebrali connessi tra loro dal corpo calloso. Mesencefalo , diencefalo e telencefalo costituiscono il cervello propriamente detto. Gli emisferi presentano all’esterno la corteccia cerebrale ed in profondità i gangli della base. La corteccia è la base delle attività nervose superiori, sia sensitive che motorie e cognitive. I gangli della base non hanno una  fisiologia del tutto chiarita, ma sembrano implicati nella programmazione e nel controllo del movimento volontario; probabilmente partecipano anche ad alcuni processi cognitivi.

Vi sono vie di connessione che partono dal midollo spinale e percorrono tutto il sistema fino alla corteccia, portando informazioni sulle condizioni in cui si trova l’organismo e sugli stimoli che agiscono su di esso.

Una ulteriore divisione distingue il sistema nervoso in: sistema nervoso centrale SNC e sistema nervoso periferico SNP.

Il sistema nervoso centrale è costituito da cervello e midollo spinale mentre il sistema nervoso periferico da nervi e gangli.

Il sistema nervoso centrale è rivestito dalle meningi (dura madre, membrana aracnoidea, pia madre). Sotto la membrana aracnoidea, nei ventricoli cerebrali, vi è il liquido cerebrospinale o liquor vi scorre all’interno. Liquor e ventricoli svolgono la funzione di ammortizzatori per il sistema nervoso centrale.

Il tubo neurale primitivo evidenzia ulteriori tre divisioni:

-          Proencefalo (telencefalo e diencefalo)

-          Mesencefalo

-          Romboencefalo (ponte, midollo allungato e cervelletto).

Il proencefalo è costituito dal telencefalo e diencefalo. Il telencefalo comprende la corteccia cerebrale , il sistema limbico e i gangli di base. La corteccia cerebrale è suddivisa nei lobi frontali (movimento, piani di azione e recupero tracce mnestetiche deboli) e lobi parietale, occipitale e temporale (percezione e memoria).

Il sistema limbico comprende la corteccia limbica, l’ippocampo, l’amigdala (emozione, motivazione e apprendimento).

Il diencefalo comprende, come già detto,  il talamo che distribuisce e regola il flusso di informazioni da e per la corteccia cerebrale e l’ipotalamo che controlla il sistema endocrino e modula i comportamenti istintuali. I gangli della base sono strutture sottocorticali (fluidità dei movimenti e transizione tra diversi piani motori). I gangli della base svolgono funzioni cognitivo – motorie in cooperazione con la corteccia frontale. Nei gangli distinguiamo: il nucleo caudato, il globo pallido e il putamen (degenerazione dei neuroni in queste parti porta alla malattia di Parkinson).

Il talamo distribuisce e regola il flusso di informazioni da e per la corteccia. È diviso in parecchi nuclei (sensoriali e motori). Altri nuclei (reticolari) proiettano a tutta la corteccia e sono implicati nei ritmi sonno-veglia e nella vigilanza.

Il mesencefalo avvolge l’acquedotto cerebrale ed è composto dal tetto (udito, controllo dei riflessi visivi, reazioni agli stimoli) e dal  tegmento. Il tegmento è costituito da una formazione reticolare (ritmo sonno veglia, stati della veglia, movimenti), la sostanza periacqueduttale (comportamenti specifici, anestesia), il nucleo rosso e la sostanza nera (movimento).

Il tetto comprende i collicoli superiori e inferiori. I collicoli superiori svolgono funzione di integrazione visuomotorie per attività automatiche.

I collicoli inferiori svolgono simili funzioni di integrazione audio-motoria (riflessi audio-visivi e reazioni automatiche agli stimoli in movimento).

il romboencefalo avvolge il quarto ventricolo e comprende cervelletto, ponte e bulbo .

il cervelletto contiene due emisferi cerebellari coperti dalla corteccia cerebellare. Si riconoscono i lobi anteriore, posteriore, il lobo flocculomodulare e il verme. I nuclei profondi sono localizzati all’interno degli emisferi cerebellari. ricevono fibre dalla corteccia cerebellare e inviano fibre al ponte.

Note: 

Sinapsi: Giunzione che si stabilisce tra le terminazioni di due cellule nervose, e tra la fibra nervosa   e l'organo periferico di reazione.

Rostrale: estremità anteriore del capo

Caudale: sotto, della coda

Arousal: attivazione cerebrale.

Continua

Da "Le Scienze"

Sfumature neurali

Lo sviluppo di nuove tecniche di imaging ha rappresentato una svolta per lo studio delle complesse reti di cellule nervose che costituiscono il cervello e il midollo spinale. Nel 2007, Jeff Lichtman, Joshua Sanes e colleghi della Harvard University hanno ottenuto uno dei più interessanti risultati in questo campo, mettendo a punto una tecnica, battezzata Brainbow, che permette di far risplendere i neuroni con più di 100 differenti sfumature di colore, consentendo così di tracciare con precisione circuiti neurali e sinapsi.

I ricercatori hanno ingegnerizzato un topo inserendo un gene che fa sì che ogni neurone esprima in modo casuale uno schema differente di proteine fluorescenti rosse, verdi o blu, dando vita a una variegata tavolozza di colori. La composizione delle fotografie delle sottili sezioni di tessuto produce le dettagliate immagini della topografia strutturale del cervello. La scoperta della proteina fluorescente verde, da cui sono poi derivate tutte queste proteine multicolori, è valsa a Martin Chalfie, Osamu Shinomura e Roger Y. Tsien il Premio Nobel per la chimica nel 2008.

1 Cellule di supporto
Gli astrociti, ritenuti fino a poco tempo fa solo cellule di supporto, in anni recenti hanno dimostrato di rivestire un ruolo cruciale in moltissime funzioni cerebrali. In quest'immagine di tessuto cerebrale di topo gli astrociti appaiono come macchie colorate intorno ai neuroni, rappresentati come punti scuri. Credit: Jean Livet Joshua Sanes e Jeff Lichtman, Harvard University

2 Accensione
Uno strato di cellule d'ippocampo di topo ingegnerizzate con la tecnica Brainbow, che utilizza proteine fluorescenti, brilla di un colore chiaro, rivelando le cellule eccitatorie che attivano i neuroni nella struttura ripiegata (al centro e in basso), strettamente coinvolta nella formazione di nuovi ricordi. La corteccia è la regione separata nella parte superiore. Credit: Joanna Wessman, Jean Livet, Joshua Sanes e Jeff Lichtman, Harvard University

3 Linea luminosa
Un primo piano dettagliato dei neuroni eccitatori dell'ippocampo, nella regione denominata giro dentato. Credit: Joanna Wessman, Jean Livet, Joshua Sanes e Jeff Lichtman, Harvard University

4 Nastri colorati
Prolungamenti filamentosi di neuroni spinali denominati assoni si connettono ai muscoli (non mostrati nell'immagine). Credit: Dawan Cai, Joshua Sanes e Jeff Lichtman, Harvard University






5 Connessioni
Quest'immagine di una piccola regione del cervello, ottenuta con un microscopio confocale, mostra il punto in cui gli assoni di neuroni spinali si inseriscono nelle fibre muscolari. Credit: Dawan Cai, Joshua Sanes e Jeff Lichtman, Harvard University

6 Una mappa contorta
L'immagine mostra l'intero connettoma, la mappa completa delle connessioni nervose, di un piccolo muscolo che consente al topo di orientare l'orecchio (ricostruzione da nervi colorati con proteine fluorescenti). Credit: Ju Lu e Jeff Lichtman, Harvard University

 


 7 Input
Una sezione di cervelletto di topo, struttura coinvolta nella regolazione dell'attività muscolare, riceve segnali dagli assoni neurali, visibili come fili ramificati di colore verde. Credit: Tamily Weissman, Jean Livet, Joshua Sanes e Jeff Lichtman, Harvard University

8 Arte moderna
Un'immagine ravvicinata mostra la corteccia cerebrale di topo colorata con la tecnica Brainbow. Credit: Tamily Weissman, Jean Livet, Joshua Sanes e Jeff Lichtman, Harvard University

 9 Intreccio
Immagine ingrandita di una regione della corteccia cerebrale ricostruita mediante microscopia elettronica a sezioni seriali, un'altra tecnica utilizzata per mappare il connettoma. L'area al centro, in cui sono visibili le fibre di colore bianco, individua la precisa posizione di ogni cellula nervosa in questa regione. Credit: Bobby Kasthuri, Daniel Berger, Sebastian Seung, MIT, e Jeff Lichtman, Harvard

10 La scatola
La ricostruzione di una regione di piccolo volume della corteccia cerebrale ottenuta utilizzando la microscopia elettronica a sezioni seriali mostra le cellule nervose strettamente impacchettate. Credit: Bobby Kasthuri, Daniel Berger, Sebastian Seung, MIT, e Jeff Lichtman, Harvard