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Perché i neuroni consumano così tanto carburante anche a riposo?

Complete neuron cell diagram

In proporzione, il cervello consuma molta più energia degli altri organi, e, sbalorditivamente, rimane uno sperpera-carburante anche quando i suoi neuroni non sparano tra di loro i segnali chiamati neurotrasmettitori. Ora dei ricercatori della Weill Cornell Medicine hanno scoperto che il processo di imballo dei neurotrasmettitori potrebbe essere responsabile di questo drenaggio energetico.


Nel loro studio, disponibile dal 3 dicembre su Science Advances, hanno identificato le piccole capsule chiamate vescicole sinaptiche come la fonte principale di consumo energetico nei neuroni inattivi. I neuroni usano queste vescicole come contenitori per le loro molecole di neurotrasmettitori, che sparano dai punti di comunicazione chiamati terminali sinaptici, per segnalare ad altri neuroni.


L'imballo dei neurotrasmettitori nelle vescicole è un processo che consuma energia chimica, e i ricercatori hanno scoperto che questo processo, in termini energetici, è intrinsecamente permeabile, così permeabile che continua a consumare energia significativa anche quando le vescicole sono piene e i terminali sinaptici sono inattivi.


"Queste scoperte ci aiutano a capire meglio perché il cervello umano è così vulnerabile all'interruzione o all'indebolimento della sua fornitura di carburante", ha detto l'autore senior dott. Timothy Ryan, professore di biochimica e di biochimica in anestesiologia alla Weill Cornell Medicine.


L'osservazione che il cervello consuma un'elevata quantità di energia, anche quando è relativamente a riposo, risale a diversi decenni fa, agli studi sull'uso di carburante del cervello negli stati comatosi e vegetativi. Tali studi hanno scoperto che anche in questi stati profondamente inattivi, il consumo profondo di glucosio del cervello si riduce generalmente solo di circa la metà, lasciando comunque il cervello a consumare molta energia rispetto ad altri organi. Le fonti di quel drenaggio energetico a riposo non sono mai state pienamente comprese.


Il dott. Ryan e il suo laboratorio hanno dimostrato negli ultimi anni che i terminali sinaptici dei neuroni, ramificazioni da cui sparano i neurotrasmettitori, sono importanti consumatori di energia quando sono attivi, e sono molto sensibili a qualsiasi interruzione della fornitura di carburante. Nel nuovo studio hanno esaminato l'uso del carburante nei terminali sinaptici quando sono inattivi e hanno scoperto che è ancora alto.


Questo consumo elevato di carburante a riposo, che hanno scoperto, è rappresentato in gran parte dal gruppo di vescicole nei terminali sinaptici. Durante l'inattività sinaptica, le vescicole sono completamente caricate con migliaia di neurotrasmettitori ciascuna e sono pronte a lanciare questi carichi portatori di segnale attraverso le sinapsi, verso altri neuroni.


Perché una vescicola sinaptica consuma energia anche quando è completamente caricata? I ricercatori hanno scoperto che c'è essenzialmente una perdita di energia dalla membrana della vescicola, un 'efflusso di protone', tale che una speciale 'pompa protonica'  enzimatica nella vescicola deve continuare a lavorare e a consumare carburante nel farlo, anche quando la vescicole è già piena di molecole di neurotrasmettitori.


Gli esperimenti hanno puntato le proteine ​​chiamate trasportatori come probabili fonti di questa perdita di protone. I trasportatori normalmente portano i neurotrasmettitori nelle vescicole, cambiando forma per trasportare dentro il neurotrasmettitore, ma permettendo allo stesso tempo a un protone di fuggire, mentre lo fanno.


Il dott. Ryan ipotizza che la soglia di energia di questo trasportatore cambia-forma è fissata a un livello basso dall'evoluzione per permettere un ricarico più veloce del neurotrasmettitore durante l'attività sinaptica, e quindi di velocizzare il pensiero e l'azione.


"Il lato negativo di una capacità di caricamento più veloce è che anche le fluttuazioni termiche casuali potrebbero innescare il cambio di forma del trasportatore, causando questo continuo drenaggio di energia anche quando nessun neurotrasmettitore è caricato"
, ha detto.


Sebbene la perdita per ogni vescicola sia minuscola, ci sono centinaia di trilioni (migliaia di miliardi) di vescicole sinaptiche nel cervello umano, quindi il drenaggio energetico è veramente alto, ha detto il dott. Ryan.


La scoperta è un progresso significativo nella comprensione della biologia di base del cervello. In più, la vulnerabilità del cervello alla rottura della sua fornitura di carburante è un problema importante nella neurologia, e le carenze metaboliche sono state annotate in una serie di malattie del cervello comuni come l'Alzheimer e il Parkinson. Questa linea di indagine in ultima analisi potrebbe aiutare a risolvere importanti puzzle medici e suggerire nuovi trattamenti.


"Se avessimo un modo per abbassare in modo sicuro questo drenaggio energetico, e quindi rallentare il metabolismo del cervello, potremmo avere un grande impatto clinico", conclude il dott. Ryan.

 

 

 


Fonte: Weill Cornell Medicine (> English) - Traduzione di Franco Pellizzari.

Riferimenti: Camila Pulido, Timothy Ryan. Synaptic vesicle pools are a major hidden resting metabolic burden of nerve terminals. Science Advances, 2021, DOI

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Nota: L'articolo potrebbe riferire risultati di ricerche mediche, psicologiche, scientifiche o sportive che riflettono lo stato delle conoscenze raggiunte fino alla data della loro pubblicazione.


 

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