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L'arte dell'equilibrio nel cervello: è pari tra eccitazione e inibizione
L'immagine fluorescente mostra i neuroni eccitatori in verde e quelli inibitori in magenta. (Fonte: UC San Diego School of Medicine)I ricercatori della University of California di San Diego hanno scoperto un meccanismo fondamentale attraverso il quale il cervello mantiene il suo equilibrio interno.
Il meccanismo, descritto nell'edizione online del 22 giugno 2014 della rivista Nature, coinvolge il cablaggio interno più basico del cervello e i processi che controllano se un neurone ritrasmette informazioni ad altri neuroni o ne sopprime la ritrasmissione.
In particolare, gli scienziati hanno dimostrato che esiste un rapporto costante tra la quantità totale di stimolazione pro-attivazione che un neurone riceve da centinaia o migliaia di neuroni eccitatori che lo alimentano, e la quantità totale di segnalazione con luci rosse di stop che riceve dagli altrettanto numerosi neuroni inibitori.
Si sapeva che questo rapporto costante, chiamato «rapporto E/I», avviene in singoli neuroni in un determinato momento. Questo studio fa un passo avanti e dimostra che il rapporto E/I è costante per molti neuroni nella corteccia dei topi e probabilmente anche degli esseri umani, dal momento che l'architettura fondamentale del cervello dei mammiferi è altamente conservata tra le varie specie.
"I neuroni nel nostro cervello guidano premendo il freno e l'acceleratore allo stesso tempo", ha detto Massimo Scanziani, PhD, professore di neuroscienze dell'Howard Hughes Medical Institute e co-autore dello studio. "Questo significa che non c'è stimolo applicabile che attivi dei neuroni puramente eccitatori o quelli puramente inibitori". "C'è sempre un braccio di ferro. E' strano, ma molto intelligente. Esso permette al cervello di esercitare un controllo molto sottile sulla nostra risposta agli stimoli". Ad esempio, Scanziani ha detto che esso impedisce sia una perdita di controllo di scariche neuronali (eccitazione) sia una quiescenza permanente (inibizione), perché eccitazione e inibizione sono sempre accoppiate.
Negli esperimenti, gli scienziati hanno anche dimostrato come il cervello mantiene costante il rapporto E/I in tutti i neuroni: la regolazione viene effettuata dai neuroni inibitori attraverso il rafforzamento o l'indebolimento delle sinapsi inibitorie appropriate. Una sinapsi è lo spazio o giunzione tra due neuroni e la forza sinaptica si riferisce al grado in cui viene amplificato un segnale trasmesso nella giuntura.
"Il nostro studio dimostra che i neuroni inibitori sono i regolatori principali, che contattano centinaia o migliaia di cellule e si assicurano che le sinapsi inibitorie in ciascuno di questi contatti siamo abbinate alle diverse quantità di eccitazione che ricevono queste cellule", ha spiegato Scanziani. Se, per esempio, il livello di stimolazione eccitatoria che una cellula nervosa sta ricevendo è doppia, anche le sinapsi inibitorie raddoppieranno la loro forza per un periodo di alcuni giorni.
In termini di applicazioni cliniche, gli scienziati hanno detto di ritenere che le malattie neurologiche come l'autismo, l'epilessia e la schizofrenia siano un problema, almeno in parte, della capacità del cervello di mantenere un rapporto E/I ottimale. "Se si rompe questo equilibrio E/I, si altera completamente la percezione del mondo", ha detto Scanziani. "Si sarà meno in grado di adeguarsi e adattarsi adeguatamente alla gamma di stimolazione in un giorno normale, senza essere sopraffatti o completamente ignari, e gli squilibri E/I potrebbero essere notati più facilmente nelle interazioni sociali, perché queste interazioni richiedono tale regolazione sfumata e sottile". Gli scienziati hanno inoltre proposto che alcune malattie neurodegenerative, come il Parkinson e l'Huntington, possono essere associate ad un cambio nell'equilibrio E / I.
Minghan Xue, ricercatore post-dottorato in neurobiologia e autore principale dello studio, ha detto: "Ora che sappiamo come è regolato questo equilibrio E/I in un cervello normale, possiamo cominciare a capire che cosa va storto nelle malattie. Si apre la strada ad interventi che possano ristabilire l'equilibrio nel cervello".
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Tra i co-autori c'è Bassam Atallah, PhD, del Programma di Neuroscienze Champalimaud al Centro Chamaplimaud per l'Ignoto in Portogallo. Il finanziamento di questo studio è arrivato, in parte, dalla Jane Coffin Childs Memorial Fund for Medical Research e dalla Gatsby Foundation.
Fonte: University of California, San Diego (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.
Reference: Mingshan Xue, Bassam V. Atallah, Massimo Scanziani. Equalizing excitation–inhibition ratios across visual cortical neurons. Nature, 2014; DOI: 10.1038/nature13321
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