Ricerche

Un ‘manopola molecolare del volume’ fatta di segnali analogici (rosso) regola segnali elettrici nel cervello di supporto per apprendimento e memoria. Fonte: Michael Hoppa

Una 'manopola del volume molecolare', che regola i segnali elettrici nel cervello, aiuta l'apprendimento e la memoria, secondo uno studio del Dartmouth College. Il sistema molecolare controlla la larghezza dei segnali elettrici che scorrono tra i neuroni, attraverso le sinapsi.

La scoperta del meccanismo di controllo, e l'identificazione della molecola che lo regola, potrebbero aiutare la ricerca dei modi per gestire i disturbi neurologici, compreso il morbo di Alzheimer, il morbo di Parkinson e l'epilessia. La ricerca, pubblicata in Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS), descrive la scoperta di come le forme dei segnali elettrici contribuiscono al funzionamento delle sinapsi.

“Le sinapsi del nostro cervello sono altamente dinamiche e parlano con una serie di sussurri e grida”, ha dichiarato Michael Hoppa, assistente professore di scienze biologiche del Dartmouth e primo autore della ricerca. “Questo risultato ci mette su un percorso più diritto verso una possibile cura di disturbi neurologici ostinati”.

Le sinapsi sono piccoli punti di contatto che permettono ai neuroni del cervello di comunicare a diverse frequenze. Il cervello trasforma i segnali elettrici dei neuroni in neurotrasmettitori chimici che viaggiano attraverso questi spazi sinaptici. La quantità del neurotrasmettitore rilasciato cambia i numeri e gli schemi di neuroni attivati ​​all'interno dei circuiti del cervello. Questo rimodellamento della forza di connessione sinaptica determina come avviene l'apprendimento e come si formano i ricordi.

Due funzioni supportano questi processi di memoria e apprendimento. Una, chiamata 'facilitazione', è una serie di picchi sempre più rapidi che amplificano i segnali, cambiando la forma di una sinapsi. L'altra, 'depressione', riduce i segnali. Insieme, queste due forme di plasticità mantengono in equilibrio il cervello e prevengono i disturbi neurologici come le convulsioni.

“Con l'avanzare dell'età, è fondamentale riuscire a mantenere sinapsi forti. Abbiamo bisogno di un buon equilibrio della plasticità nel nostro cervello, ma anche della stabilizzazione delle connessioni sinaptiche“, ha detto Hoppa.

La ricerca si è concentrata sull'ippocampo, il centro del cervello che è responsabile dell'apprendimento e della memoria. Nello studio, il team di ricerca ha scoperto che i picchi elettrici sono forniti come segnali analogici, la cui forma impatta sulla grandezza del  neurotrasmettitore chimico rilasciato attraverso le sinapsi. Questo meccanismo funziona in modo simile a un modulatore della luce con impostazioni variabili. Ricerche precedenti avevano considerato i picchi da consegnare come segnale digitale, simile ad un interruttore della luce che opera solo in 'acceso' e 'spento'.

“La scoperta che questi picchi elettrici sono analogici, sblocca la nostra comprensione di come il cervello lavora per formare memoria e apprendimento”, ha detto A Ha Cho, post-dottorato del Dartmouth e primo autore dello studio. “L'uso di segnali analogici fornisce un percorso più facile per modulare la resistenza dei circuiti cerebrali”.

Oltre a scoprire che i segnali elettrici che scorrono attraverso le sinapsi nell'ippocampo del cervello sono analogici, la ricerca del Dartmouth ha anche identificato la molecola che regola i segnali elettrici. In precedenza si era dimostrato che la molecola, chiamata Kvβ1, regola le correnti di potassio, ma non si sapeva che avesse un ruolo nel controllo della forma dei segnali elettrici da parte delle sinapsi. Questi risultati aiutano a spiegare il motivo per cui la perdita di molecole Kvβ1 aveva in precedenza mostrato di impattare negativamente l'apprendimento, la memoria e il sonno nei topi e nei moscerini della frutta.

La ricerca ha svelato anche i processi che consentono al cervello di avere elevata potenza di calcolo con poca energia. Un singolo impulso elettrico analogico, può trasportare informazioni multi-bit, permettendo un controllo maggiore con segnali a bassa frequenza.

“Questo ci aiuta a capire come il nostro cervello è in grado di lavorare a livelli di supercomputer con tassi molto più bassi di impulsi elettrici e con l'energia equivalente a una lampadina del frigorifero. Più impariamo su questi livelli di controllo, più capiamo perché il nostro cervello è così efficiente“, ha detto Hoppa.

Il premio Nobel Eric Kandel ha condotto il lavoro sul collegamento tra l'apprendimento e il cambiamento di forma dei segnali elettrici nelle lumache di mare nel 1970. A quel momento non si credeva che questo processo si verificasse anche nelle sinapsi più complesse presenti nel cervello dei mammiferi. Per decenni, i ricercatori hanno cercato regolatori molecolari della plasticità sinaptica, concentrandosi sul macchinario molecolare che rilascia sostanze chimiche.

Fino ad ora, le misurazioni degli impulsi elettrici erano state difficili da osservare a causa delle ridotte dimensioni dei terminali nervosi. La scoperta di questa ricerca è stata resa possibile dalla tecnologia sviluppata al Dartmouth per misurare il voltaggio e il rilascio dei neurotrasmettitori usando la luce per misurare i segnali elettrici nelle connessioni sinaptiche tra i neuroni del cervello.

Nel lavoro futuro, il team cercherà di determinare come la scoperta è legata ai cambiamenti nel metabolismo del cervello che avvengono nell'invecchiamento e che causano i disturbi neurologici comuni. Secondo il team di ricerca, il sistema molecolare esiste in una zona del cervello che è facilmente bersaglio di farmaci e potrebbe prestarsi allo sviluppo di terapie farmacologiche.