La conversazione tra cellule cerebrali

26 Lug 2013

Le cellule cerebrali si parlano l'una con l'altra con diversi toni. A volte si parlano a voce alta, ma altre volte faticano a farsi sentire.

Per molti anni gli scienziati si sono chiesti perché, e come, le cellule cerebrali cambino tono così frequentemente. Oggi dei ricercatori dei National Institutes of Health (NIH) dimostrano che brevi impulsi di energia chimica, provenienti da centrali energetiche in rapido movimento (i mitocondri), possono sintonizzare la comunicazione delle cellule cerebrali.

"Siamo molto entusiasti dei risultati", ha detto Zu-Hang Sheng, Ph.D., ricercatore principale e capo della Synaptic Function Section dell'Istituto Nazionale dei Disordini neurologici e Ictus (NINDS) dei NIH. "Forse abbiamo risposto a una questione fondamentale di vecchia data, sul modo in cui le cellule del cervello comunicano tra loro in una varietà di toni di voce".

Una rete di cellule nervose in tutto il corpo controlla specificamente pensieri, movimenti e sensi, inviando migliaia di neurotrasmettitori, o sostanze chimiche cerebrali, nei punti di contatto tra le cellule, chiamati sinapsi. I neurotrasmettitori sono inviati da minuscole sporgenze presenti sulle cellule nervose, chiamate boutons presinaptici. I boutons [=bottoni, pulsanti in francese] sono allineati, come perle di una collana, su strutture lunghe e sottili chiamate assoni. Essi aiutano a controllare l'intensità dei segnali inviati, regolando la quantità e il modo in cui le cellule nervose rilasciano trasmettitori.

I mitocondri sono ritenuti le centrali energetiche delle cellule perché usano l'ossigeno per convertire molte delle sostanze chimiche usate dalle cellule come alimenti, in adenosina trifosfato (ATP), l'energia principale che alimenta le cellule. Questa energia è essenziale per la sopravvivenza e la comunicazione delle cellule nervose. Precedenti studi hanno dimostrato che i mitocondri possono muoversi rapidamente lungo gli assoni, ballando da un bouton all'altro.

In questo studio, pubblicato in Cell Report, il dottor Sheng e i colleghi dimostrano che queste centrali energetiche in movimento possono controllare l'intensità dei segnali inviati dai boutons. "Questa è la prima dimostrazione che collega il movimento dei mitocondri lungo gli assoni ad una vasta gamma di segnali cellulari nervosi inviati durante la trasmissione sinaptica", ha detto il dottor Sheng.

I ricercatori hanno utilizzato tecniche microscopiche avanzate per guardare i mitocondri che si muovono tra i boutons mentre rilasciano neurotrasmettitori. Essi hanno scoperto che i boutons inviano segnali coerenti quando i mitocondri sono nelle vicinanze. "E' come se la presenza dei mitocondri induca un bouton a parlare con una voce monotono", ha detto Tao Sun, Ph.D., ricercatore del laboratorio del dottor Sheng e primo autore dello studio. Sorprendentemente, quando i mitocondri mancano o si allontanano dai boutons, la potenza del segnale oscilla. I risultati suggeriscono che la presenza fissa delle centrali energetiche nelle sinapsi controlla la stabilità del segnale nervoso.

Per testare ulteriormente questa idea, i ricercatori hanno manipolato il movimento mitocondriale negli assoni modificando il livello di sintafilina, una proteina che aiuta ad ancorare i mitocondri allo scheletro della cellula nervosa presente all'interno degli assoni. La rimozione della sintafilina, risultante in un movimento più veloce dei mitocondri e delle registrazioni elettriche da questi neuroni, dimostra che i segnali che inviano oscillano notevolmente. Al contrario, alzando il livello di sintafilina nelle cellule nervose, si arresta il movimento mitocondriale e si inducono i boutons a parlare in monotoni, inviando segnali con la stessa forza. "E' noto che circa un terzo di tutti i mitocondri negli assoni si muovono. I nostri risultati mostrano che la comunicazione delle cellule cerebrali è strettamente controllata da eventi altamente dinamici che si verificano in numerosi e piccoli punti di collegamento da una cellula all'altra", ha detto il dottor Sheng.

In esperimenti separati, i ricercatori hanno osservato il livello di energia dell'ATP in questi minuscoli boutons quando si mandavano messaggi nervosi. "I livelli oscillano di più nei boutons che non hanno mitocondri vicini", ha detto il dottor Sun.
I ricercatori hanno anche scoperto che, bloccando la produzione di ATP nei mitocondri con il farmaco oligomicina, si riduce la dimensione dei segnali inviati dai boutons anche se una centrale mitocondriale era presente nelle vicinanze. "I nostri risultati suggeriscono che la produzione di ATP nei mitocondri attorno è fondamentale per un rilascio coerente di neurotrasmettitori", ha detto il dottor Sheng. "Sembra che la variabilità nella trasmissione sinaptica sia controllata dal rapido movimento dei mitocondri, che forniscono brevi impulsi di energia ai boutons che attraversano".

I problemi nella produzione di energia mitocondriale e il movimento attraverso le cellule nervose sono stati implicati nell'Alzheimer, nel Parkinson, nella sclerosi laterale amiotrofica ed in altre importanti patologie neurodegenerative.

Il dottor Sheng pensa che questi risultati, in ultima analisi aiuteranno gli scienziati a capire come questi problemi possono portare ai disturbi nella comunicazione delle cellule cerebrali. "I nostri risultati rivelano i meccanismi cellulari che mettono in sintonia la comunicazione cerebrale, regolando la mobilità mitocondriale, migliorando così la nostra comprensione dei disturbi neurologici umani", ha detto il dottor Sheng.

Fonte: NIH/National Institute of Neurological Disorders and Stroke, via EurekAlert!, a service of AAAS.

Riferimento: Tao Sun, Haifa Qiao, Ping-Yue Pan, Yanmin Chen, Zu-Hang Sheng. Motile Axonal Mitochondria Contribute to the Variability of Presynaptic Strength. Cell Reports, 2013; DOI: 10.1016/j.celrep.2013.06.040

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

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