Terrence SejnowskiQuando siamo in attesa di qualcosa, come il pasto ordinato in un ristorante, o quando qualcosa cattura il nostro interesse, dei ritmi elettrici unici schizzano attraverso il cervello.

Queste onde sono chiamate «oscillazioni gamma» e riflettono una sinfonia di cellule, sia eccitatoria che inibitoria, che risuona insieme in modo orchestrato. Anche se il loro ruolo è controverso, le onde gamma sono state associate alle funzioni cerebrali di livello superiore, e i disturbi nei loro schemi sono stati legati alla schizofrenia, all'Alzheimer, all'autismo, all'epilessia e ad altri disturbi.

Ora, una nuova ricerca del Salk Institute dimostra che delle cellule di supporto nel cervello poco conosciute (gli astrociti) possono infatti essere i principali attori che controllano queste onde. Nello studio, pubblicato il 28 luglio nei Proceedings of the National Academy of Sciences, i ricercatori del Salk segnalano una strategia nuova e imprevista per abbassare le oscillazioni gamma, non disattivando i neuroni, ma gli astrociti, il tipo di cellule che si ritiene generalmente che abbia più che il semplice ruolo di supporto nel cervello.

Nel processo il team ha dimostrato che gli astrociti, e le oscillazioni gamma che aiutano a formare, sono fondamentali per alcune forme di memoria. "Questa è quella che potrebbe essere definita un pistola fumante", dice il co-autore Terrence Sejnowski, responsabile del Computational Neurobiology Laboratory del Salk Institute for Biological Sciences e ricercatore dello Howard Hughes Medical Institute. "Ci sono centinaia di pubblicazioni che collegano le oscillazioni gamma all'attenzione e alla memoria, ma sono tutti correlazionali. Questa è la prima volta che siamo riusciti a fare un esperimento causale, dove abbiamo bloccato selettivamente le oscillazioni gamma e mostrato che questo ha un impatto altamente specifico sul modo in cui il cervello interagisce con il mondo".

La collaborazione tra i laboratori dei professori Sejnowski, Inder Verma e Stephen Heinemann del Salk ha scoperto che l'attività in forma di segnalazione del calcio degli astrociti precede immediatamente le oscillazioni gamma nel cervello dei topi. Questo suggerisce che gli astrociti, che usano molti degli stessi segnali chimici dei neuroni, potrebbero influenzare queste oscillazioni. Per verificare la teoria, il gruppo ha usato un virus che trasporta tossina tetanica per disabilitare il rilascio di sostanze chimiche rilasciate selettivamente dagli astrociti, ed eliminando efficacemente la capacità delle cellule di comunicare con le cellule vicine. I neuroni non sono stati influenzati dalla tossina.

Astrociti normali (rosso/a1) e neuroni (blu/a3) dell'ippocampo, la parte del cervello che controlla la memoria. Quando si aggiunge la tossina tetanica (a2), solo gli astrociti sono colpiti (verde). Nel riquadro a4 le immagini degli altri pannelli sovrapposte. Questa esclusività della tossina ha permesso agli scienziati di mostrare che l'attività smorzata degli astrociti interferisce con la formazione di nuova memoria nei test comportamentali. (Immagine: Salk Institute)
Dopo aver aggiunto un prodotto chimico per innescare le onde gamma nel cervello degli animali, i ricercatori hanno trovato che il tessuto cerebrale con astrociti disabilitati produce onde gamma più brevi rispetto ai tessuti contenenti cellule sane.

E dopo aver aggiunto tre geni che permettono ai ricercatori di accendere o spegnere la tossina tetanica negli astrociti in modo selettivo e a volontà, hanno scoperto che le onde gamma erano soffocate nei topi ai cui astrociti era stato impedito di segnalare. Lo spegnimento della tossina ha invertito questo effetto.

I topi con i astrociti modificati sembravano perfettamente sani. Ma dopo alcuni test cognitivi, i ricercatori hanno scoperto che fallivano in un settore importante: il riconoscimento dei nuovi oggetti. Un topo sano passa più tempo con un nuovo oggetto inserito nel suo ambiente di quanto non faccia con gli oggetti familiari, come previsto.

 
Al contrario, i nuovi topi mutanti del gruppo hanno trattato tutti gli oggetti in modo uguale. "Ciò si è rivelato un risultato spettacolare, nel senso che la memoria di riconoscimento di nuovi oggetti non solo è stata compromessa, ma era sparita, come se avessimo eliminato questa forma di memoria, lasciando intatte le altre", dice Sejnowski. I risultati sono stati sorprendenti, in parte perché gli astrociti operano su una scala di tempo di secondi o più, mentre i neuroni segnalano in modo molto più veloce, sulla scala dei millisecondi.

A causa di questa minore velocità, nessuno sospettava che gli astrociti potessero essere coinvolti nell'attività cerebrale di alta velocità necessaria per prendere decisioni rapide. "Quello che ho pensato di abbastanza unico era che gli astrociti, considerati per tradizione solo custodi e di supporto ai neuroni e ad altre cellule, sono coinvolti anche nel trattamento delle informazioni e in altri comportamenti cognitivi", dice Verma, professore del Laboratorio di Genetica e dell'American Cancer Society.

Non è che gli astrociti siano veloci: sono comunque più lenti dei neuroni. Ma la nuova evidenza suggerisce che gli astrociti mettono attivamente a disposizione l'ambiente giusto perchè insorgano le onde gamma, che a loro volta danno al cervello più possibilità di imparare e di cambiare la forza delle connessioni neuronali.

Sejnowski dice che il risultato comportamentale è solo la punta dell'iceberg. "Il sistema di riconoscimento è estremamente importante", dice, aggiungendo che esso include il riconoscimento di altre persone, luoghi, fatti e cose che sono successe in passato. Con questa nuova scoperta, gli scienziati possono cominciare a capire meglio il ruolo delle onde gamma nella memoria di riconoscimento, conclude.

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Hanno collaborato Hosuk Sean Lee della Sogang University di Seoul in Corea del Sud; Andrea Ghetti, Gustavo Dziewczapolski e Juan C. Piña-Crespo del Laboratorio di Neurobiologia Molecolare del Salk; António Pinto-Duarte dell'Istituto di Farmacologia e Neuroscienze, Facoltà di Medicina e dell'Istituto di Medicina Molecolare, Unità di Neuroscienze dell'Università di Lisbona in Portogallo; Xin Wang del Salk; Francesco Galimi del Salk e del Dipartimento di Scienze Biomediche / Istituto Nazionale di Biostrutture e Biosistemi all'Università degli Studi di Sassari in Italia; e Salvador Huitron-Resendiz e Amanda J. Roberts dello Scripps Research Institute di La Jolla in California.

Il lavoro è stato finanziato dal Salk, dalla Calouste Gulbenkian Foundation, dalla Life Sciences Research Foundation, dalla Brain and Behavior Research Foundation, dalla Bundy Foundation, dalla Jose Carreras International Leukemia Foundation, dai Pew Charitable Trusts, dalla National Science Foundation, dallo Howard Hughes Medical Institute, dall'Office of Naval Research, e dai National Institutes of Health.

Fonte:  Salk Institute  (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

Riferimenti:  Hosuk Sean Lee, Andrea Ghetti, António Pinto-Duarte, Xin Wang, Gustavo Dziewczapolski, Francesco Galimi, Salvador Huitron-Resendiz, Juan C. Piña-Crespo, Amanda J. Roberts, Inder M. Verma, Terrence J. Sejnowski, and Stephen F. Heinemann. Astrocytes contribute to gamma oscillations and recognition memory. PNAS, July 28, 2014 DOI: 10.1073/pnas.1410893111

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