Introduzione
Un cervello non è altro che comunicativo. I neuroni sono i chiacchieroni di questo organo conversazionale e parlano tra loro scambiando impulsi elettrici utilizzando messaggeri chimici chiamati neurotrasmettitori. Ripetendo questo processo miliardi di volte al secondo, il cervello converte gruppi di sostanze chimiche in azioni, ricordi e pensieri coordinati.
I ricercatori studiano come funziona il cervello ascoltando di nascosto quella conversazione chimica. Ma i neuroni parlano così forte e spesso che se ci sono altre voci più silenziose, potrebbe essere difficile sentirle.
Per gran parte del 20° secolo, i neuroscienziati hanno ampiamente concordato sul fatto che i neuroni sono le uniche cellule cerebrali che propagano i segnali elettrici. Si pensava che tutte le altre cellule cerebrali, chiamate glia, svolgessero ruoli puramente di supporto. Poi, nel 1990, emerse un fenomeno curioso: i ricercatori osservato un astrocita, un sottotipo di cellula gliale, che risponde al glutammato, il principale neurotrasmettitore che genera attività elettrica.
Nei decenni successivi, i gruppi di ricerca hanno fornito prove contrastanti, alcuni riferiscono che gli astrociti segnalano e altri ribattono che sicuramente non lo fanno. Il disaccordo si è manifestato durante le conferenze e in recensioni dopo recensioni delle prove. Le due parti sembravano inconciliabili.
Un nuovo documento pubblicato in Natura a settembre presenta la migliore prova finora che gli astrociti possono segnalare, raccolta in otto anni da un team guidato da Andrea Volterra, docente in visita presso il Wyss Center for Bio and Neuro Engineering a Ginevra, Svizzera. Lo studio include due prove chiave: immagini del glutammato che scorre dagli astrociti e dati genetici che suggeriscono che queste cellule, chiamate astrociti glutammatergici, hanno il meccanismo cellulare per utilizzare il glutammato come fanno i neuroni.
Il documento aiuta anche a spiegare decenni di risultati contraddittori. Poiché solo alcuni astrociti possono eseguire questa segnalazione, entrambi i lati della controversia hanno, in un certo senso, ragione: i risultati di un ricercatore dipendono da quali astrociti hanno campionato.
"Questo studio è fantastico perché fornisce una spiegazione del motivo per cui entrambi i dati erano disponibili e contrastanti", ha affermato Christopher Dulla, professore di neuroscienze alla Tufts University che studia la segnalazione astrocitica e non è stato coinvolto nel nuovo lavoro. "Tendo a comprarlo."
La scoperta apre la possibilità che alcuni astrociti costituiscano una parte essenziale dei circuiti del cervello. "Sempre più arriviamo all'idea che esiste una partecipazione di tutti i tipi di cellule alla funzione del cervello", ha detto Volterra. "È molto più integrato di quanto si pensasse prima."
Una rete comunicativa
Il nome generico “glia” – dalla parola greca che significa “colla” – per tutte le cellule cerebrali che non sono neuroni, come gli astrociti, trasmette l'idea iniziale degli scienziati secondo cui il loro scopo principale era quello di tenere insieme i neuroni. Tuttavia, sin dalla prima descrizione degli astrociti nel 1865, i ricercatori lo hanno scoperto possono fare molto di più. Per prima cosa, hanno recettori del glutammato, che usano per rilevare e ripulire i neurotrasmettitori in eccesso negli spazi attorno ai neuroni.
Ciò che è meno chiaro è se possano utilizzare il glutammato per generare da soli un segnale elettrico. Nel 1994, i ricercatori astrociti stimolati in un piatto e videro che i neuroni vicini sembravano rispondere preparandosi a inviare un segnale. E nel 1997 Volterra e i suoi colleghi osservò il contrario: Gli astrociti dei ratti rispondevano alle chiamate dei neuroni con onde oscillanti della molecola segnale calcio. Dal 2000 al 2012, i ricercatori hanno pubblicato più di 100 articoli riportanti prove a favore della capacità degli astrociti di comunicare tramite sinapsi.
Ma altri si sono chiesti come siano state raccolte e interpretate tali prove. Nel 2014, ad esempio, i ricercatori scoperto che un modello chiave di topo era difettoso, sollevando dubbi sugli studi precedenti che utilizzavano quei topi.
Nel frattempo, la visione degli astrociti si stava evolvendo e gli scienziati cominciarono a considerarli partecipanti attivi nell'elaborazione delle informazioni da parte del cervello. Mentre i neuroni e i loro dendriti ramificati sono spesso raffigurati come alberi, gli astrociti sono più simili a un fungo, che forma un tappeto a trama fitta che ricopre il cervello e condivide le informazioni tra le sue parti costituenti. In questo modo, gli astrociti sembrano formare una rete coordinata che influenza l’attività neuronale. Ad esempio, nel 2016, mentre conduceva una ricerca sulle neuroscienze presso l’Università della California, a San Francisco, Kira Poskanzer scoperto che gli astrociti del topo possono spingere i neuroni vicini a entrare in uno stato di sonno ritmico regolando il glutammato.
"È meno come una singola cellula che fa le sue cose e più come parte di un intero gruppo di cellule che lavorano insieme", ha detto Poskanzer, ora presso la startup biotecnologica Arcadia Science.
Tuttavia, c'è una differenza tra assorbire il glutammato e generare veramente segnali. Volterra riteneva che alcuni astrociti fossero capaci di quest'ultima cosa. Ma per dimostrarlo, aveva bisogno di prove che gli astrociti possano inviare segnali e abbiano gli strumenti giusti per farlo in modi rilevanti e significativi.
Una nuova classe di cellule cerebrali
Volterra ha approfittato di un nuovo approccio allo studio del cervello: il sequenziamento dell’RNA di una singola cellula, che scatta un’istantanea dell’insieme completo di geni attivi nelle singole cellule di un tessuto. Analizzando otto database di cellule dell'ippocampo di topo, ha identificato nove gruppi di astrociti, distinti in base alla loro attività genetica. Gli astrociti in uno – e solo uno – dei cluster hanno trascritto proteine note per essere coinvolte nella conservazione, nel rilascio e nel trasporto dei neurotrasmettitori utilizzando vescicole, come avviene nei neuroni. Le cellule non erano distribuite uniformemente nella regione del cervello, e nemmeno in circuiti specifici.
Per vedere se le persone hanno queste cellule, Volterra e il suo team hanno cercato in tre database di cellule ippocampali umane le stesse firme proteiche che avevano visto negli astrociti dei topi. Le firme sono apparse in tutti e tre i set di dati.
Quei dati genetici, tuttavia, erano ancora una prova indiretta. Volterra aveva bisogno di mostrare la segnalazione in azione. Lui e il suo team hanno simulato un segnale neuronale inviato agli astrociti in fette di cervello di topo e hanno acquisito immagini delle molecole rilasciate dagli astrociti. Alcuni – ma non tutti – gli astrociti hanno risposto con il glutammato. E quando i ricercatori hanno impedito agli astrociti di utilizzare le vescicole, le cellule non sono più riuscite a rilasciare glutammato.
Per Volterra le prove erano chiare. “Avevamo ragione. Ci sono astrociti che rilasciano glutammato”, ha detto. “Ma ci sbagliavamo anche, perché pensavamo che tutti gli astrociti rilasciassero glutammato”.
I risultati quasi certamente ribaltano l’attuale comprensione del modo in cui il cervello comunica, ha affermato Dmitri Rusakov, professore di neuroscienze presso l’University College di Londra, non coinvolto nel lavoro. Ma in che modo è una questione aperta.
Sapere che gli astrociti possono segnalare è solo il primo passo. Questo fatto non spiega come le sinapsi rispondono al glutammato astrocitico. Non dice quali funzioni richiedono la segnalazione degli astrociti al posto o in aggiunta ai neuroni. Non spiega perché alcune aree del cervello hanno più astrociti glutammatergici di altre, o perché un sottoinsieme utilizza questa funzione mentre il resto no.
Invece, come tutte le nuove scoperte, pone nuove domande a cui la scienza deve rispondere.
"Abbiamo un insieme significativo di prove", ha detto Rusakov. “Ora serve una teoria per mettere tutto insieme.”
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- Fonte: https://www.quantamagazine.org/these-cells-spark-electricity-in-the-brain-theyre-not-neurons-20231018/
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