Sinapsi di localizzazione del suono (Calice di Held) nel tronco cerebrale di un topo. Le aree verdi sono sinapsi che rilasciano neurotrasmettitori. Le cellule riceventi sono di colore grigio. (Credit: © MPI f. Experimental Medicine, Benjamin H. Cooper)Individuare una macchina che suona il clacson nel traffico intenso, fare zapping tra calcio e un thriller in TV senza perdere la trama, e non dimenticare l'inizio di una frase quando siamo arrivati alla fine: noi consideriamo normali tutte queste funzioni quotidiane.

Esse ci permettono di reagire a situazioni in rapida evoluzione e di effettuare anche attività complesse correttamente. Per far funzionare tutto questo, i circuiti neuronali del nostro cervello devono essere molto flessibili.

 Gli scienziati che lavorano sotto la guida dei neurobiologi Nils Brose e Erwin Neher al Max Planck Institutes di Medicina Sperimentale e di Chimica Biofisica di Göttingen hanno ora scoperto un importante meccanismo molecolare che trasforma i neuroni in veri maestri di adattamento.

I neuroni comunicano tra loro mediante contatti specializzati da cellula a cellula chiamati sinapsi. All'inizio, un neurone emittente viene eccitato e invia una scarica di messaggeri chimici chiamati neurotrasmettitori. Queste molecole di segnalazione raggiungono quindi la cellula ricevente e ne influenzano lo stato di attivazione.

Il processo di scarica trasmettitente è molto complesso e fortemente regolamentato. Sono protagoniste le vescicole sinaptiche, piccole vesciche circondate da una membrana, che vengono caricate di neurotrasmettitori e li rilasciano fondendosi con la membrana cellulare. Per riuscire a rispondere alla stimolazione in qualsiasi momento, rilasciando trasmettitori, un neurone deve avere una certa quantità di vescicole pronte per andare ad ognuna delle sue sinapsi. Brose ha studiato le basi molecolari di questo stoccaggio per anni.

Il problema non è solo accademico. "Il numero di vescicole immediatamente rilasciabili ad una sinapsi determina la sua affidabilità", spiega il Brose. "Se ce ne sono troppo poche e si riformano troppo lentamente, la corrispondente sinapsi si stanca molto rapidamente in condizioni di attivazione ripetuta. Succede il contrario quando una sinapsi riempie rapidamente le sue vescicole subito disponibili, sotto pressione. Infatti, tale sinapsi può anche migliorare con l'attivazione costante".

Si può osservare questa adattabilità sinaptica in quasi tutti i neuroni. E' nota come plasticità a breve termine ed è indispensabile per un gran numero di processi cerebrali estremamente importanti. Senza di essa, non saremmo in grado di localizzare i suoni, sarebbe impossibile la matematica mentale, e si perderebbe la velocità e la flessibilità con la quale possiamo alterare il comportamento e spostare l'attenzione su nuovi obiettivi.

Alcuni anni fa, Brose e il suo team hanno scoperto una proteina con il nome criptico di Munc13. Non solo questa proteina è indispensabile per il ripristino delle vescicole da rilasciare immediatamente alle sinapsi; l'attività neuronale la regola in modo tale da adattare la fornitura pronta di vescicole in funzione della domanda. Questa regolazione avviene per mezzo di un complesso costituito dalla proteina di segnalazione calmodulina e dagli ioni di calcio che si accumulano nelle sinapsi durante l'attività intensa dei neuroni.

"Il nostro precedente lavoro su singoli neuroni in capsule di Petri ha dimostrato che il complesso calcio-calmodulina attiva la Munc13 e di conseguenza assicura che le vescicole immediatamente rilasciabili siano reintegrate velocemente", dice Noa Lipstein, scienziata israeliana ospite nel laboratorio di Brose. "Ma molti colleghi non erano convinti che questo processo avesse un ruolo nei neuroni del cervello intatto".

Così la Lipstein e il suo collega giapponese Takeshi Sakaba hanno creato un topo mutante con proteine Munc13 alterate geneticamente, che non potevano essere attivate dal complesso calcio-calmodulina.

I due neurofisiologi hanno prima studiato gli effetti di questa manipolazione genetica sulle sinapsi coinvolte nella localizzazione del suono, che di solito sono attivate diverse centinaia di volte ogni secondo. "Il nostro studio mostra che l'efficienza prolungata delle sinapsi nelle reti di neuroni intatti dipende in modo determinante dall'attivazione di Munc13 dai complessi calcio-calmodulina", spiega Lipstein.

Gli scienziati di Göttingen sono convinti dell'importanza del loro studio. Dopo tutto, importanti neuroscienziati del passato hanno considerato il sensore del calcio responsabile della plasticità sinaptica a breve termine e la sua proteina bersaglio come il Santo Graal. "Credo veramente che abbiamo scoperto un meccanismo molecolare chiave della plasticità a breve termine con un ruolo in tutte le sinapsi nel cervello, e non solo nei neuroni coltivati, come molti colleghi credevano", conclude la Lipstein.

E se si proverà, nei fatti, che ha ragione nell'interpretare i risultati, la proteina Munc13 potrebbe anche essere un bersaglio farmacologico ideale per i farmaci che influenzano la funzionalità del cervello.

Fonte: Max-Planck-Gesellschaft.

Riferimento: Noa Lipstein, Takeshi Sakaba, Benjamin H. Cooper, Kun-Han Lin, Nicola Strenzke, Uri Ashery, Jeong-Seop Rhee, Holger Taschenberger, Erwin Neher, Nils Brose. Dynamic Control of Synaptic Vesicle Replenishment and Short-Term Plasticity by Ca2 -Calmodulin-Munc13-1 Signaling. Neuron, 2013; DOI: 10.1016/j.neuron.2013.05.011

Pubblicato in Science Daily (> English version) - Traduzione di Franco Pellizzari.

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