Ricerche

Il metodo potrebbe far luce su ciò che va storto in numerose condizioni cerebrali quando i neuroni sono attivati o inibiti erroneamente o correttamente.

I livelli di PDH fosforilato (giada) aumentano drasticamente nelle cellule del cervello dopo che i topi sono stati anestetizzati per due ore (a destra), mostrando l'inibizione dei neuroni. Fonte: Scripps Research

Gli scienziati stanno studiando da decenni gli intricati modelli di attività nel cervello umano e animale, osservando quando si accendono diversi gruppi di cellule cerebrali. Altrettanto importante per comprendere il cervello e le malattie correlate, tuttavia, è sapere per quanto tempo quei neuroni rimangono attivi e quando si spengono di nuovo.

Ora, scienziati dello Scripps Research Institute hanno sviluppato una nuova tecnologia, pubblicata su Neuron il 23 gennaio 2024, che consente loro di rintracciare quando, dopo uno scoppio di attività, le cellule cerebrali si spengono, un processo chiamato inibizione.

La tecnica fornisce un nuovo modo di studiare non solo il funzionamento normale del cervello, ma come possano andare male gli 'interruttori di spegnimento' del cervello nei comportamenti normali e pure nelle malattie e nei disturbi, che includono depressione, disturbo da stress post-traumatico e Alzheimer.

"Si concorda in genere che l'inibizione dei neuroni è proprio il modo in cui il cervello regola l'attività", afferma l'autore senior Li Ye PhD, professore di Scripps Research. "Gli scienziati hanno cercato un modo per esaminare l'inibizione in modo più tracciabile, ma finora pochi l'avevano trovato".

Per approfondire il nuovo approccio, Ye ha collaborato con John Yates, professore di medicina molecolare di Scripps Research per studiare come le cellule cerebrali cambiano da quando sparano attivamente (emettendo una carica elettrica per trasmettere messaggi a quelle vicine), a quando finiscono di sparare.

Gli scienziati hanno usato l'optogenetica (con cui si può controllare l'attività delle cellule usando la luce) per attivare e inibire ripetutamente le cellule. Quindi, hanno misurato i livelli e le caratteristiche di diverse proteine e le loro modifiche. Hanno chiarito che una proteina, il piruvato deidrogenasi (PDH), veniva modificata molto rapidamente immediatamente dopo che le cellule cerebrali erano inibite.

"Quando i neuroni sparano, hanno bisogno di molta energia e questa proteina PDH è coinvolta nella produzione di quell'energia", spiega Ye. “Ma il cervello vuole proprio conservare energia, quindi quando una cellula viene fatta sparare, abbiamo scoperto che il cervello interrompe rapidamente la proteina PDH. Questo succede molto più velocemente di qualsiasi altra cosa che abbiamo visto nell'espressione genica".

I ricercatori hanno scoperto che per spegnere la PDH, le cellule aggiungono alla proteina dei marcatori molecolari chiamati fosfati. Ye e i suoi colleghi hanno trovato anticorpi che riconoscono solo questa forma inattiva e fosforilata di PDH (pPDH). Per verificare se i livelli di pPDH possono essere usati come segno di inibizione delle cellule cerebrali, il team di YE ha usato questi anticorpi per misurare la pPDH nei topi che avevano avuto l'anestesia. Quasi l'intero cervello si è illuminato con alti livelli di pPDH, mostrando correttamente che la maggior parte del cervello è inattiva durante l'anestesia.

Il gruppo ha anche studiato i livelli di pPDH quando gli animali sono stati esposti a una luce intensa che è stata poi spenta. Le cellule cerebrali nella corteccia visiva, responsabili della visione, avevano bassi livelli di pPDH quando venivano esposte alla luce (perché la forma attiva di PDH è necessaria per dare a queste cellule l'energia per segnalare), ma i livelli di proteina fosforilata aumentavano subito dopo lo spegnimento della luce.

Il gruppo di Ye ha usato la nuova tecnica anche per studiare un processo meno chiaro: come il cervello spegne la sensazione di fame dopo un pasto. Hanno dimostrato che le cellule cerebrali relative all'appetito si spengono quando un topo inizia a mangiare.

Questi risultati potrebbero avere implicazioni per una migliore comprensione dell'appetito, dell'obesità e alcuni farmaci per la perdita di peso. Più in generale, si potrebbero usare gli anticorpi pPDH per confrontare i livelli di inibizione delle cellule cerebrali nelle persone sane e quelli in varie malattie cerebrali e metaboliche.

"Ci sono molte domande a cui questa tecnologia può aiutarci a rispondere", afferma Ye. "Se il cervello non può disattivare le cellule o se vengono spente più velocemente o più lentamente del solito, cosa succede? Quale è il ruolo dell'inibizione dei neuroni nelle diverse malattie?".

Ye e i suoi colleghi stanno continuando a perfezionare l'uso di pPDH, ma affermano che altri ricercatori stanno già usando la tecnologia: gli anticorpi usati per misurare pPDH sono disponibili in commercio.