Il cervello, l'organo meno conosciuto del corpo umano, è una massiccia rete di neuroni elettricamente eccitabili, tutti comunicanti tra di loro attraverso i recettori sui rami dei loro dendriti. In qualche modo queste cellule lavorano insieme per consentire le grandi imprese dell'apprendimento e della memoria umana. Ma come?

I ricercatori sanno che le spine dendritiche hanno un ruolo fondamentale. Queste piccole strutture membranose sporgono dai rami dei dendriti; sparse in tutto l'albero dendritico, le spine di un neurone raccolgono segnali da una media di altri 1.000 [neuroni]. Ma la loro funzione era rimasta solo parzialmente compresa dopo più di un secolo dalla loro scoperta.

Simulazione al computer che mostra la tensione (in millivolt), codificata dal colore, nella porzione di albero dendritico di un neurone. Sono state fissate ai dendriti delle spine generate dal computer, e sono state attivate le sinapsi su sette spine vicino al centro, aumentando la tensione in quelle sedi. La simulazione quantifica la diffusione di carica elettrica e il relativo aumento della tensione nelle parti vicine dell'albero dendritico per un breve periodo (1-1/3 millisecondi) dopo che le sinapsi sono state attivate. (Credit: Image courtesy of Northwestern University)

Un ricercatore della Northwestern University, in collaborazione con scienziati del Howard Hughes Medical Institute (HHMI), nel Janelia Farm Research Campus, ha recentemente aggiunto un pezzo importante del puzzle che spiega come i neuroni "parlano" tra di loro. I ricercatori hanno dimostrato che le spine fungono da compartimenti elettrici nel neurone, isolando e amplificando i segnali elettrici ricevuti dalle sinapsi, i siti in cui i neuroni si collegano l'uno con l'altro.

La chiave di questa scoperta è il risultato di esperimenti innovativi del Campus di Ricerca Janelia Farm e delle simulazioni al computer effettuate alla Northwestern University, capaci di misurare le risposte elettriche sulle spine dei dendriti. "Questa ricerca dimostra definitivamente che le spine dendritiche rispondono a, ed elaborano, gli input sinaptici non solo chimicamente, ma anche elettricamente", ha detto William Kath, professore di scienze ingegneristiche e matematica applicata alla McCormick School of Engineering della Northwestern, professore di neurobiologia al College Weinberg di Arti e Scienze, e uno degli autori dello studio.

Le spine dendritiche esistono in una varietà di forme, ma in genere consistono di una testa della spina bulbosa all'estremità di un tubo sottile, o collo. Ogni testa della spina contiene una o più sinapsi e si trova molto vicino ad un assone proveniente da un altro neurone.

Gli scienziati hanno compreso meglio le proprietà chimiche delle spine dendritiche: i recettori della loro superficie sono noti per rispondere ad una serie di neurotrasmettitori, quali glutammato e glicina, rilasciati da altri neuroni. Ma a causa delle dimensioni estremamente ridotte delle spine - circa 1/100 del diametro di un capello umano - le loro proprietà elettriche sono sempre state difficili da studiare.

In questo studio, i ricercatori del Janelia Farm Research Campus dell'HHMI hanno utilizzato tre tecniche sperimentali per valutare le proprietà elettriche delle spine dendritiche nell'ippocampo dei ratti, una parte del cervello che ha un ruolo importante nella memoria e nella navigazione spaziale. In primo luogo, i ricercatori hanno utilizzato due micro-elettrodi per somministrare corrente e misurare il voltaggio della risposta in sedi diverse lungo i dendriti. Hanno poi usato una tecnica chiamata "sprigionamento di glutammato" [glutamate uncaging], un processo che comporta il rilascio di glutammato (un neurotrasmettitore eccitatorio), per evocare risposte elettriche da sinapsi specifiche, come se la sinapsi abbia appena ricevuto un segnale da un neurone adiacente. Un terzo processo ha usato un colorante sensibile al calcio (il calcio è un indicatore chimico di un evento sinaptico) iniettato nel neurone per fornire una rappresentazione ottica delle variazioni di tensione all'interno della spina.

Alla Northwestern i ricercatori hanno utilizzato modelli computazionali di neuroni reali (ricostruiti dallo stesso tipo dei neuroni di ratto) per costruire una rappresentazione 3D del neurone con informazioni accurate sulla posizione, il diametro e le proprietà elettriche di ogni dendrito. Le simulazioni al computer, di concerto con gli esperimenti, hanno indicato che la resistenza elettrica delle spine è coerente in tutti i dendriti, indipendentemente da dove si trovano sull'albero dendritico.

Anche se è ancora necessaria molta ricerca per capire in pieno il cervello, la conoscenza dell'elaborazione elettrica delle spine potrebbe portare a progressi nel trattamento di malattie come l'Alzheimer e l'Huntington. "Il cervello è molto più complicato di qualsiasi computer che abbiamo mai costruito, e capire come funziona potrebbe condurre a progressi non solo in medicina, ma in aree che non abbiamo ancora considerato", dice Kath. "Potremmo imparare a elaborare le informazioni in modo che adesso possiamo solo intuire".

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Fonte: Materiale della Northwestern University.

Riferimento: Mark T. Harnett, Judit K. Makara, Nelson Spruston, William L. Kath, Jeffrey C. Magee. Synaptic amplification by dendritic spines enhances input cooperativity. Nature, 2012; 491 (7425): 599 DOI: 10.1038/nature11554.

Pubblicato in ScienceDaily il 5 Dicembre 2012 - Traduzione di Franco Pellizzari.

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