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Una nuova ricerca ha scoperto un meccanismo mitocondriale cruciale che supporta la plasticità cerebrale.

Scoperto un meccanismo mitocondriale che aiuta a spiegare come i neuroni CA2, come quelli evidenziati qui, funzionano nei topi. (Fonte: Shannon Farris / Virginia Tech)

Neuroscienziati del Fralin Biomedical Research Institute della Virginia Tech di Roanoke (Virginia, USA) hanno scoperto un processo mitocondriale che supporta le cellule cerebrali fondamentali per l'apprendimento, la memoria e il riconoscimento sociale. La ricerca, guidata dall'assistente prof.ssa Shannon Farris, ha esaminato su topi modello la regione CA2 dell'ippocampo, un'area specializzata nel centro di memoria del cervello, essenziale per la memoria di riconoscimento sociale.

Lo studio pubblicato su Scientific Reports, rivela il ruolo critico dell'uniporter di calcio mitocondriale (MCU), una proteina che regola il flusso di calcio nei mitocondri, nel consentire ai neuroni di rafforzare le connessioni. Questo processo, noto come plasticità sinaptica, è fondamentale per la funzione cognitiva e per l'apprendimento adattivo.

"I nostri risultati evidenziano un meccanismo mitocondriale distinto che aiuta a spiegare come funzionano i neuroni CA2, che può contribuire al suo ruolo nella cognizione sociale e alla sua vulnerabilità in alcuni disturbi neurologici", ha affermato Farris.

Ruolo unico della regione CA2 nella memoria sociale

La regione CA2 dell'ippocampo è un nucleo piccolo ma cruciale per il riconoscimento sociale, che è la capacità di ricordare e distinguere gli individui. A differenza delle regioni dell'ippocampo vicine, i neuroni CA2 resistono a determinate forme di plasticità sinaptica, sollevando domande intriganti sulla loro funzione specializzata.

La Farris e il suo team hanno scoperto che i mitocondri nei neuroni CA2 non sono uniformi, ma hanno struttura e funzione che variano a seconda della loro posizione all'interno del neurone. I mitocondri nelle estremità più lontane dei dendriti dei neuroni - nelle connessioni di ingresso sinaptiche più esterne - sono altamente specializzati e dipendono fortemente dall'MCU per controllare la loro attività.

Per esplorare questo, i ricercatori hanno eliminato il gene MCU nei neuroni CA2 di topi geneticamente modificati. Ciò ha causato un'interruzione della plasticità nelle sinapsi più esterne, mentre quelle più vicine al corpo cellulare non sono state influenzate.

"Ciò suggerisce che la diversità mitocondriale non è solo una stranezza biologica", ha detto la Farris. "È una caratteristica fondamentale che consente a diverse parti dello stesso neurone di funzionare in modi distinti".

Potenziali implicazioni per Alzheimer e disturbo dello spettro autistico

La disfunzione mitocondriale è sempre più riconosciuta come un importante contributo a disturbi neurologici come il morbo di Alzheimer (MA), l'autismo, la schizofrenia e la depressione. Le sinapsi hanno bisogno di molta energia per rimanere connesse ed elaborare le informazioni. Quando i mitocondri non funzionano correttamente, possono interrompere la capacità funzionale di questi canali di comunicazione delle cellule, portando a problemi con il pensiero e la memoria.

È noto che le sinapsi più esterne, più distanti, sono tra le prime connessioni sinaptiche colpite dal MA. I risultati suggeriscono che la funzione di MCU nei neuroni CA2 può contribuire a questa debolezza iniziale, offrendo potenziali informazioni sul perché questo circuito è particolarmente suscettibile alla neurodegenerazione.

"Comprendere perché i mitocondri nei neuroni CA2 sono diversi, e come falliscono, potrebbe aiutarci a progettare terapie per proteggere o ripristinare la funzione in specifiche regioni cerebrali", ha affermato la Farris.

Oltre al MA, lo studio solleva domande più ampie su come la diversità mitocondriale può influenzare altri disturbi neurologici. La capacità dei neuroni di perfezionare le proprietà mitocondriali potrebbe essere un fattore critico nella comprensione dell'autismo, in cui la disfunzione in CA2 potrebbe essere collegata ai deficit sociali noti che si verificano in questo spettro.

Decodificare la funzione mitocondriale nei circuiti neurali

Questo studio fa avanzare la comprensione della biologia mitocondriale e supera un ostacolo tecnico nella valutazione dei mitocondri nei tessuti cerebrali densi e diversi, hanno affermato i ricercatori. Attraverso la microscopia elettronica e l'intelligenza artificiale per identificare imparzialmente solo i mitocondri dendritici all'interno dello strato sinaptico denso, il team della Farris ha mappato la struttura mitocondriale nei dendriti dei neuroni CA2 ad alta risoluzione spaziale con estrema precisione su aree milimetriche.

L'analisi ha rivelato che i mitocondri con deficit di MCU erano più piccoli e più frammentati, un cambio strutturale che potrebbe essere alla base della compromissione della loro capacità di supportare la funzione sinaptica. Più in generale, lo studio sfida il presupposto di lunga data che i mitocondri funzionino allo stesso modo in tutte le parti del neurone.

Al contrario, i neuroni possono modificare attivamente le proprietà mitocondriali per ottimizzare la funzione in sinapsi specifiche, un concetto che potrebbe rimodellare la nostra comprensione della regolazione dell'energia e della plasticità neurale.

"Questi risultati sfidano il presupposto di lunga data che i mitocondri funzionano in modo uniforme all'interno dei dendriti", ha affermato Katy Pannoni, ricercatrice senior nel laboratorio della Farris e prima autrice dello studio. "Invece, il nostro lavoro suggerisce che i mitocondri sono altamente specializzati per supportare le esigenze distinte di diversi circuiti neurali".

Applicando l'intelligenza artificiale per analizzare set di dati di microscopia elettronica su larga scala, il team di ricerca ha quantificato la struttura mitocondriale e la distribuzione nei vari circuiti su una scala irraggiungibile con metodi manuali convenzionali. Questo nuovo approccio consentirà agli studi futuri di studiare la funzione mitocondriale con maggiore precisione e profondità di analisi.

Il futuro della ricerca mitocondriale

Questa scoperta apre nuove vie da considerare per potenziali terapie, in particolare per i disturbi neurologici in cui i deficit energetici indeboliscono le connessioni cerebrali. Rivelando come i mitocondri supportano la plasticità neurale, la ricerca della Farris pone le basi per strategie che preservano la funzione cerebrale e rallentano la neurodegenerazione.

In seguito, il suo team indagherà su come i mitocondri nei neuroni CA2 sviluppano le loro proprietà specializzate e se esistono adattamenti simili in altre regioni cerebrali. Puntano anche a esplorare strategie terapeutiche che potrebbero rafforzare la salute mitocondriale e proteggere i neuroni dalle malattie.

"Più comprendiamo la diversità mitocondriale, più ci avviciniamo a svelare il modo in cui il cervello impara, ricorda e si adatta e come possiamo mantenerlo sano", ha detto la Farris.