Mappato il processo di formazione della memoria a lungo termine

10 June 2013

Scienziati dei Gladstone Institutes hanno decifrato il modo in cui una proteina chiamata Arc regola l'attività dei neuroni, aggiungendo indizi importanti sulla capacità del cervello di formare ricordi duraturi. Questi risultati, riferiti il 9 Giugno su Nature Neuroscience, permettono di capire ulteriormente ciò che accade a livello molecolare quando questo processo diventa perturbato.

Guidata da Steve Finkbeiner, MD, PhD, ricercatore senior dei Gladstone, questa ricerca ha scavato in profondità sul funzionamento interno delle sinapsi. Le sinapsi sono giunzioni altamente specializzate che elaborano e trasmettono informazioni tra i neuroni. La maggior parte delle sinapsi che il nostro cervello avrà per tutta la vita, si formano durante il suo sviluppo iniziale, ma per tutta la vita queste sinapsi possono essere ricostituite, spezzate e rafforzate.

Le sinapsi più attive diventano più forti, un processo essenziale per la formazione di nuovi ricordi. Tuttavia, questo processo è anche pericoloso, in quanto può sovrastimolare i neuroni e portare ad attacchi epilettici. Esso deve quindi essere tenuto sotto controllo.

I neuroscienziati hanno recentemente scoperto un meccanismo importante che il cervello usa per mantenere questo importante equilibrio: il processo chiamato "scalatura omeostatica". La scalatura omeostatica consente ai singoli neuroni di rafforzare le nuove connessioni sinaptiche che hanno fatto per produrre ricordi, mentre allo stesso tempo impediscono ai neuroni di diventare troppo eccitati. Finora non si sapeva esattamente come riuscissero a farlo, ma si sospettava che la proteina Arc avesse un ruolo chiave.

"Gli scienziati sapevano che l'Arc è coinvolta nella memoria a lungo termine, perché i topi privi della proteina Arc possono imparare nuovi compiti, ma non riescono a ricordarli il giorno dopo", spiega il dottor Finkbeiner, che è anche un professore di neurologia e fisiologia alla University of California di San Francisco (UCSF), con la quale il Gladstone è affiliato. "Poiché le osservazioni iniziali hanno mostrato che l'Arc si accumula nelle sinapsi durante l'apprendimento, i ricercatori pensavano che la presenza di Arc in queste sinapsi guidasse la formazione di ricordi duraturi".

Ma il dottor Finkbeiner e il suo team pensavano che ci fosse qualcos'altro in gioco. In esperimenti di laboratorio, prima in modelli animali e poi in maggior dettaglio nella piastra di Petri, i ricercatori hanno monitorato i movimenti dell'Arc. E hanno trovato qualcosa di sorprendente.

"Quando i singoli neuroni sono stimolati durante l'apprendimento, l'Arc inizia ad accumularsi nelle sinapsi - ma quello che abbiamo scoperto è che, subito dopo, la maggior parte di Arc viene trasferita nel nucleo", spiega Erica Korb, PhD, autrice principale del documento, che ha completato il suo lavoro di laurea al Gladstone e all'UCSF. "Un'analisi più dettagliata ha rivelato tre regioni all'interno della proteina Arc stessa che dirigono i suoi movimenti: una esporta l'Arc dal nucleo, una seconda la trasporta nel nucleo, e una terza la tiene lì. La presenza di questo sistema complesso e strettamente regolato è una forte evidenza dell'importanza biologica di questo processo".

In effetti, gli esperimenti del team hanno rivelato che l'Arc agisce da regolatore principale di tutto il processo di scalatura omeostatica. Durante la formazione dei ricordi, alcuni geni devono essere accesi e spenti in momenti molto specifici per generare le proteine che aiutano i neuroni a fissare nuovi ricordi. Gli autori hanno scoperto che è l'Arc che, da dentro il nucleo, dirige questo processo necessario perchè avvenga la scalatura omeostatica. Questo rafforza le connessioni sinaptiche senza la loro sovrastimolazione, traducendo così l'apprendimento in memoria a lungo termine.

"Questa scoperta è importante non solo perché risolve un mistero di vecchia data sul ruolo dell'Arc nella formazione della memoria a lungo termine, ma ci dà anche una nuova visione del processo stesso di scalatura omeostatica, il cui cattivo funzionamento è già stato implicato in tutta una serie di malattie neurologiche", scrive il dottor Finkbeiner. "Per esempio, gli scienziati hanno recentemente scoperto che l'Arc è esaurito nell'ippocampo (centro della memoria del cervello) nei pazienti di Alzheimer. E' possibile che l'interruzione del processo di scalatura omeostatica possa contribuire ai deficit di apprendimento e memoria dell'Alzheimer".

Disfunzioni nella produzione e nel trasporto di Arc possono anche essere giocatori fondamentali nell'autismo. Per esempio, la malattia genetica sindrome Fragile X, una causa comune sia di ritardo mentale che di autismo, colpisce direttamente la produzione di Arc nei neuroni. "In futuro", ha aggiunto il dottor Korb, "ci auguriamo che ulteriori ricerche sul ruolo dell'Arc, sia nella salute che nella malattia, possa farci capire ancora più profondamente questi e altri disturbi, e gettare anche le basi per nuove strategie terapeutiche per combatterli".

La ricerca è stata finanziata dalla Ruth L. Kirschstein Fellowship, dall'Istituto Nazionale di Malattie Neurologiche e Ictus, dal National Institute on Aging e dalla Fondazione Keck.

Fonte: Gladstone Institutes.

Reference: Erica Korb, Carol L Wilkinson, Ryan N Delgado, Kathryn L Lovero, Steven Finkbeiner. Arc in the nucleus regulates PML-dependent GluA1 transcription and homeostatic plasticity. Nature Neuroscience, 2013; DOI: 10.1038/nn.3429

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

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