Ricerche
Le sorprendenti abilità auto-organizzative del cervello
Coltura di neuroni con 80% inibitori (rosso) e 20% eccitatori (verdi). La quota di neuroni inibitori è circa 4 volte più alta del normale nel cervello, e tuttavia la rete si è rivelata sorprendentemente stabile. Fonte: ©Menahem Segal
Un team di ricercatori di Tubinga/Germania e di Israele ha scoperto che le strutture cerebrali possono mantenere le funzioni e le dinamiche stabili anche in condizioni insolite. I loro risultati potrebbero mettere le basi per capire meglio e trattare condizioni come l'epilessia e l'autismo.
I neuroni del nostro cervello sono collegati l'uno con l'altro, formando piccole unità funzionali chiamate 'circuiti neurali'. Un neurone, che è collegato a un altro tramite una sinapsi, può trasmettere informazioni al secondo neurone inviando un segnale. Questo, a sua volta, potrebbe richiedere al secondo neurone di trasmettere un segnale ad altri neuroni nel circuito neurale.
Se ciò accade, il primo neurone è probabilmente un neurone eccitatorio: uno che richiede ad altri neuroni di sparare [segnali]. Ma i neuroni con il compito contrario sono ugualmente importanti per la funzionalità del nostro cervello: sono i neuroni inibitori, che diminuiscono le probabilità che i neuroni ai quali sono collegati inviino un segnale ad altri.
L'interazione tra eccitazione e inibizione è cruciale per la normale funzionalità delle reti neurali. La sua disregolazione è stata collegata a molti disturbi neurologici e psichiatrici, come l'epilessia, l'Alzheimer e i disturbi dello spettro dell'autismo.
Dalle colture cellulari in laboratorio ...
È interessante notare che la quota di neuroni inibitori tra tutti i neuroni nelle varie strutture cerebrali (come la neocorteccia o l'ippocampo) rimane fissa al 15-30% durante tutta la vita di un individuo.
"Questo ha suscitato la nostra curiosità: quanto è importante questa particolare proporzione?", ricorda Anna Levina, ricercatrice all'Università di Tubinga e al Max Planck Institute for Biological Cybernetics. "I circuiti neurali con una proporzione diversa tra neuroni eccitatori e inibitori possono funzionare comunque normalmente?".
I suoi collaboratori del Weizmann Institute of Science di Rehovot/Israele hanno progettato un nuovo esperimento che ha permesso di rispondere a queste domande. Hanno fatto crescere colture [di neuroni] che contenevano diversi rapporti, anche estremi, tra neuroni eccitatori e inibitori. Gli scienziati hanno allora misurato l'attività di questi tessuti cerebrali progettati artificialmente.
"Siamo rimasti sorpresi dal constatare che le reti con vari rapporti tra neuroni eccitatori e inibitori rimanevano attive, anche quando questi rapporti erano molto lontani dalle condizioni naturali", spiega il dottorando Oleg Vinogradov collaboratore della Levina. "La loro attività non cambia drasticamente, purché la quota di neuroni inibitori rimanga in qualche punto dell'intervallo dal 10 al 90%".
Sembra che le strutture neurali abbiano un modo di compensare la loro insolita composizione per rimanere stabili e funzionali.
... alla comprensione teorica
Perciò è naturale che i ricercatori si siano chiesti: quale meccanismo consente al tessuto cerebrale di adattarsi a queste diverse condizioni? I ricercatori hanno ipotizzato che le reti si adattano regolando il numero di connessioni: se ci sono pochi neuroni inibitori, questi devono assumere un ruolo più grande, generando più sinapsi con gli altri neuroni. Viceversa, se la quota di neuroni inibitori è grande, i neuroni eccitatori devono compensare questo stabilendo più connessioni.
Il modello teorico degli scienziati di Tubinga può spiegare i risultati sperimentali dei loro colleghi di Rehovot e svelare i meccanismi che aiutano a mantenere stabili le dinamiche nel cervello. I risultati forniscono un'immagine più chiara di come viene preservato l'equilibrio eccitazione / inibizione e dove fallisce nelle reti neurali viventi.
Più a lungo termine, potrebbero essere utili per il campo emergente della medicina di precisione: si potrebbero usare colture neurali derivate dalle cellule staminali pluripotenti indotte per scoprire i meccanismi dei disturbi neuropsichiatrici e nuovi farmaci.
Fonte: Max-Planck-Gesellschaft (> English) - Traduzione di Franco Pellizzari.
Riferimenti: Nirit Sukenik, Oleg Vinogradov, Eyal Weinreb, Menahem Segal, Anna Levina, Elisha Moses. Neuronal circuits overcome imbalance in excitation and inhibition by adjusting connection numbers. PNAS, 2021, DOI
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