Meccanismi sinaptici delle onde cerebrali

17 Dic 2013

Il modo in cui vengono elaborate e codificate le informazioni nel cervello è una questione centrale nel campo delle neuroscienze, in quanto è essenziale per le funzioni cognitive superiori come l'apprendimento e la memoria.

Le oscillazioni dalla theta alla gamma (vedi schema) sono "onde cerebrali" presenti nell'ippocampo, un'area del cervello coinvolta nell'apprendimento e nella memoria. Nei roditori, le oscillazioni dalla theta alla gamma sono associate all'elaborazione di informazioni durante l'esplorazione e la navigazione spaziale.

Tuttavia, i meccanismi sinaptici sottostanti sono rimasti finora poco chiari. Nella ricerca pubblicata questa settimana sulla rivista Neuron, il postdottorato Alejandro Pernía-Andrade e il professor Peter Jonas, entrambi dell'Istituto di Scienza e Tecnologia dell'Austria (IST Austria), hanno scoperto i meccanismi sinaptici alla base delle oscillazioni nel giro dentato (l'ingresso principale dell'ippocampo).

Inoltre, i ricercatori suggeriscono un ruolo di queste oscillazioni nella codifica delle informazioni dei neuroni principali del giro dentato. Quindi questi risultati contribuiscono ad una migliore comprensione di come sono elaborate le informazioni nel cervello.

Le oscillazioni cerebrali sono, in effetti, variazioni ritmiche di tensione nello spazio extracellulare, chiamati segnali cerebrali elettrici, connessi con il trattamento delle informazioni. Questi segnali elettrici sono simili a quelli osservati nelle registrazioni elettro-elettroencefalografiche (EEG) negli esseri umani.

Pernía-Andrade e Jonas hanno osservato queste oscillazioni in una regione del cervello chiamata ippocampo di ratti attivi, e hanno registrato le oscillazioni che avvengono in questo settore mediante sonde extracellulari. Per capire come vengono generate le oscillazioni e quali eventi sinaptici esse attivano, i ricercatori hanno esaminato la trasmissione sinaptica nelle cellule granulari (cellule più importanti all'ingresso principale dell'ippocampo) da una prospettive sia extracellulare (oscillazioni) che intracellulare (correnti sinaptiche e impulso neuronale), e le hanno quindi correlate.

Hanno scoperto che i segnali sinaptici eccitatori e inibitori contribuiscoono alle diverse frequenze di oscillazioni: l'eccitazione dalla corteccia entorinale genera oscillazioni theta e l'inibizione degli interneuroni del giro dentato locale genera oscillazioni gamma. Insieme, eccitazione ed inibizione forniscono i segnali ritmici delle oscillazioni.

Si è ipotizzato che le oscillazioni possano aiutare il giro dentato a codificare le informazioni agendo da segnali di riferimento nella codifica temporale. Pernía-Andrade e Jonas dimostrano ora che i neuroni delle cellule granulari inviano segnali solo in determinati momenti del ciclo delle oscillazioni. Questo cosiddetto "aggancio di fase" è necessario se le oscillazioni devono operare come segnali di riferimento nella codifica temporale.

La registrazione precisa e ad alta risoluzione, delle cellule granulari necessaria per queste scoperte, è stata possibile solo grazie alle innovazioni tecnologiche di Pernía-Andrade e Jonas, poichè in precedenza non era disponibile alcuna attrezzatura per registrare i segnali sinaptici nei ratti attivi con tale alta risoluzione. Sono il risultato di una collaborazione con il Miba Machine Shop, la SSU (Scientific Service Unit) elettrica e meccanica dell'IST Austria.

Adeguando delle attrezzature disponibili in commercio e strumenti appositamente progettati, Pernía-Andrade, Jonas e Todor Asenov, gestore del Miba Machine Shop, hanno prodotto i primi strumenti per analisi biofisiche precise dei ratti attivi. Questa ricerca non è quindi solo un progresso scientifico, ma rappresenta anche un significativo progresso tecnologico e concettuale nella ricerca per capire il comportamento neuronale in condizioni naturali.

Fonte: Institute of Science and Technology Austria.

Riferimenti: Alejandro Javier Pernía-Andrade, Peter Jonas. Theta-Gamma-Modulated Synaptic Currents in Hippocampal Granule Cells In Vivo Define a Mechanism for Network Oscillations. Neuron, 2013; DOI: 10.1016/j.neuron.2013.09.046

Pubblicato in ist.ac.at (> English version) - Traduzione di Franco Pellizzari.

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