Ricerche

Studiando topi di laboratorio, gli scienziati della Johns Hopkins University sono riusciti a tracciare i percorsi labirintici di alcune tra le cellule nervose più grandi nel cervello dei mammiferi: i neuroni colinergici, le prime cellule a degenerare nelle persone con Alzheimer.

"Per noi, questo era come scalare l'Everest", dice Jeremy Nathans, PhD, professore di biologia molecolare e di genetica, neuroscienze e oftalmologia alla Scuola di Medicina della Johns Hopkins University. "Questo lavoro rivela le sfide incredibili che i neuroni colinergici affrontano ogni giorno. Ognuna di queste cellule è come una città collegata alla sua periferia da una singola strada a una corsia, con tutti i servizi di emergenza situati solo in città. Si può immaginare quanto sarebbe difficile in una crisi se tutti i veicoli di emergenza dovessero raggiungere le periferie, lungo quella strada. Pensiamo che qualcosa di simile potrebbe accadere quando i neuroni colinergici cercando di riparare il danno fatto dall'Alzheimer".

Ogni neurone colinergico, ci spiega Nathans, ha circa 1.000 punti di diramazione. Se allineati da un capo all'altro, le ramificazioni di un neurone raggiungerebbero una lunghezza circa 15 volte maggiore di quella del cervello del topo. Ma tutti i rami sono collegati da una unica «condotta», estremamente sottile, al centro (il corpo cellulare) che provvede alle esigenze dei rami.

La sfida di trasportare del materiale attraverso questa singola conduttura potrebbe rendere molto difficile ai neuroni colinergici combattere le sfide che conseguono una malattia come l'Alzheimer, dice. Ora, mappando i rami e le condutture, gli scienziati potranno probabilmente capire meglio ciò che accade quando i neuroni non riescono a far fronte alle sfide. Una sintesi della ricerca è stata pubblicata online sulla rivista eLife il 7 maggio.

I neuroni colinergici sono tra i maggiori neuroni nel cervello dei mammiferi. Chiamati così perchè rilasciano un messaggero chimico chiamato acetilcolina, si contano solo a migliaia nel cervello di topo, una piccola frazione dei 50-100 milioni di neuroni totali. Il loro corpo cellulare si trova alla base del cervello in prossimità della sua estremità anteriore, ma i loro rami si estendono in tutta la corteccia cerebrale, lo strato più esterno e rugoso di "materia grigia" che è responsabile delle funzioni intellettive più avanzate della mente. Pertanto, anche se ci sono relativamente pochi neuroni colinergici, essi influenzano una grande parte del cervello, dice Nathans.

A causa delle difficoltà tecniche di visualizzare i percorsi complicati di centinaia di piccoli rami di un singolo neurone aggrovigliato tra milioni di altri neuroni, la dimensione reale e la forma dei singoli neuroni colinergici (e il territorio che coprono) erano rimasti sconosciuti fino ad ora, secondo Nathans. Attraverso l'ingegneria genetica, la squadra di Nathans ha programmato diversi neuroni colinergici per ogni topo perchè potessero produrre una proteina da visualizzare con una reazione chimica colorata.

Fondamentale per il successo del lavoro era la capacità di limitare il numero di cellule che producono la proteina; se tutti i neuroni colinergici avessero prodotto la proteina, sarebbe stato impossibile distinguere i singoli rami. Poiché i microscopi non possono vedere attraverso i tessuti spessi, Nathans e il suo team hanno conservato il cervello dei topi e li hanno poi tagliati a fette sottili per produrre immagini seriali. Il percorso di ramificazione di ogni neurone è stato poi accuratamente ricostruito dalle immagini seriali e analizzato.

Nei topi adulti, dice, la lunghezza media dei rami di un singolo neurone colinergico, allineati dall'inizio alla fine, è di 31 cm, variando da 11 a 49 cm. La lunghezza media del cervello di topo è solo di 2 cm. Sebbene ogni neurone colinergico contenga in media circa 1.000 punti di ramificazione, essi variano notevolmente in termini di estensione del territorio che coprono.

I ricercatori hanno usato le stesse tecniche per studiare i neuroni colinergici di topi con una forma di Alzheimer da topo, ed hanno trovato che i rami erano frammentati. Inoltre hanno trovato ammassi di materiale che potrebbero essere stati formati da detriti dei rami disgregati.

Anche se i neuroni colinergici del cervello umano non sono stati tracciati singolarmente, il team di Nathans è riuscito a calcolare che il neurone colinergico medio nel cervello umano ha una lunghezza totale dei rami di circa 100 metri, all'incirca come un campo di calcio. "Questo è davvero una lunga conduttura, soprattutto se si considera che i tubi hanno un diametro di soli 30 millesimi di millimetro, di gran lunga più stretti di un capello umano", dice Nathans. E aggiunge: "Anche se il nostro studio ha definito solo poche e semplici proprietà fisiche di questi neuroni, come la dimensione e la forma, ci ha dato informazioni per immaginare e provare ipotesi migliori su ciò che va male in loro durante la malattia".

Altri autori del rapporto includono Hao Wu e John Williams della Scuola di Medicina della Johns Hopkins University. Questo lavoro è stato sostenuto dallo Human Frontier Science Program, dall'Howard Hughes Medical Institute e dal Brain Science Institute della Johns Hopkins University.

Fonte:  Johns Hopkins Medicine  (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

Riferimenti:  H. Wu, J. Williams, J. Nathans. Complete morphologies of basal forebrain cholinergic neurons in the mouse. eLife, 2014; 3 (0): e02444 DOI: 10.7554/eLife.02444

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