Ricerche

I nostri bicipiti e le nostre cellule cerebrali possono avere più in comune di quanto si pensava finora.

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Una nuova ricerca condotta dal laboratorio Lippincott-Schwartz all'Howard Hughes Medical Institute di Ashburn (Virginia/USA) mostra che una rete di strutture subcellulari, simili a quelle responsabili della propagazione dei segnali molecolari che inducono i muscoli a contrarsi, si occupano anche della trasmissione di segnali nel cervello che possono facilitare apprendimento e memoria.

"Einstein ha detto che quando usa il suo cervello, è come se stesse usando un muscolo e, a in quel senso, c'è un certo parallelo qui", afferma Jennifer Lippincott-Schwartz, leader del gruppo di ricerca del campus di Janelia dell'istituto. "Lo stesso macchinario funziona in entrambi i casi ma con letture diverse".

Il primo indizio sulla possibile connessione tra il cervello e le cellule muscolari è arrivato quando scienziati di Janelia hanno notato qualcosa di strano nel reticolo endoplasmatico (ER), i fogli e le pieghe di membrana all'interno delle cellule che sono cruciali per molte funzioni cellulari.
Lorena Benedetti, ricercatrice del laboratorio di Lippincott-Schwartz, stava monitorando ad alta risoluzione le molecole lungo la superficie dell'ER nei neuroni di mammiferi quando ha visto che le molecole stavano tracciando un modello ripetuto, a forma di scala, lungo l'intera lunghezza dei dendriti, le estensioni simili a rami che partono dalle cellule cerebrali e che ricevono segnali in arrivo.

Nello stesso periodo, il leader senior del gruppo Stephan Saalfeld ha avvisato la Lippincott-Schwartz che anche nelle immagini di microscopia elettronica 3D ad alta risoluzione di neuroni nel cervello dei moscerini, l'ER stava formando regolarmente strutture spaziate e trasversali. L'ER di norma appare come una rete enorme e dinamica, quindi non appena la Lippincott-Schwartz ha visto le strutture, ha realizzato che il suo laboratorio doveva capire a cosa servono.

"Nella scienza, la struttura è funzione", afferma la Lippincott-Schwartz, che dirige anche l'area di ricerca sulla fisiologia cellulare 4D di Janelia. "Questa è una struttura insolita e bella che stiamo vedendo sull'intero dendrite, quindi abbiamo avuto la sensazione che doveva avere una funzione importante".

I ricercatori, guidati dalla Benedetti, hanno iniziato osservando l'unica altra area del corpo nota per avere strutture ER tipo scala: il tessuto muscolare. Nelle cellule muscolari, l'ER e la membrana plasmatica - la membrana esterna della cellula - si incontrano in siti di contatto periodici, una disposizione controllata da una molecola chiamata giuntofilina.

Con scansioni ad alta risoluzione, i ricercatori hanno scoperto che i dendriti contengono anche una forma di giuntofilina che controlla i siti di contatto tra la loro ER e la membrana plasmatica. Inoltre, il team ha scoperto che gli stessi macchinari molecolari che controllano il rilascio di calcio nei siti di contatto delle cellule muscolari - in cui il calcio guida la contrazione muscolare - era presente anche nei siti di contatto dei dendriti, in cui il calcio regola la segnalazione neuronale.

Con questi indizi, i ricercatori hanno sospettato che i macchinari molecolari nei siti di contatto dendritici devono essere importanti anche per la trasmissione di segnali di calcio, che le cellule usano per comunicare. Sospettavano che i siti di contatto lungo i dendriti potessero agire come un ripetitore del telegrafo: ricevere, amplificare e propagare segnali su lunghe distanze. Nei neuroni, questo potrebbe spiegare come i segnali ricevuti in siti specifici sui dendriti vengono trasmessi al corpo cellulare a centinaia di micrometri di distanza.

"Non sapevamo ancora come viaggia tale informazione su lunghe distanze e come il segnale di calcio viene amplificato specificamente", afferma la Benedetti. "Abbiamo pensato che l'ER potesse avere quel ruolo e che questi siti di contatto regolarmente distribuiti siano amplificatori localizzati spazialmente e temporalmente: possono ricevere questo segnale di calcio, amplificarlo localmente e trasmetterlo a distanza".

I ricercatori hanno scoperto che questo processo viene innescato quando un segnale neuronale fa sì che il calcio entri nel dendrite attraverso le proteine voltaggio-dipendenti ​​del canale ionico, che sono posizionate nei siti di contatto. Sebbene questo segnale iniziale di calcio si dissipi rapidamente, esso innesca il rilascio di ulteriore calcio dall'ER nel sito di contatto. Questo afflusso di calcio nel sito di contatto attira e attiva una chinasi chiamata CaMKII, una proteina importante per la memoria. La CaMKII altera le proprietà biochimiche della membrana plasmatica, cambiando la forza del segnale che viene trasmesso lungo di essa.

Questo processo continua da un sito di contatto all'altro lungo tutto il dendrite fino al corpo cellulare, dove il neurone decide come comunicherà con altri neuroni. La nuova ricerca rivela un nuovo meccanismo per la trasmissione del segnale nelle cellule cerebrali e aiuta a rispondere a una domanda aperta nelle neuroscienze su come viaggiano i segnali intracellulari su lunghe distanze nei neuroni, consentendo alle informazioni ricevute in siti specifici sui dendriti di essere elaborate nel cervello.

Fa anche luce sui meccanismi molecolari alla base della plasticità sinaptica (il rafforzamento o l'indebolimento delle connessioni neuronali), che permette l'apprendimento e la memoria. Capire questo processo a livello molecolare potrebbe svelare ulteriormente come funziona il cervello normalmente e nelle malattie in cui questi processi vanno male, come nell'Alzheimer.

"Stiamo dimostrando che una struttura - una bellissima struttura - che opera a un livello di organizzazione subcellulare ha un enorme effetto sul modo in cui l'intero sistema neuronale opera nei confronti della segnalazione del calcio", afferma la Lippincott-Schwartz. "Questo è un ottimo esempio di come, nel fare scienza, vedere una bella struttura può portarti a un mondo completamente nuovo."