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Un astrocita (blu) cresciuto in un piatto con dei neuroni forma una struttura intricata, a forma di stella. Le proteine sinaptiche dei neuroni sono visibili in verde e viola. Le proteine sovrapposte rappresentano le posizioni delle sinapsi. (Fonte: Jeff Stogsdill, Duke University)

Il cervello è fatto di più di una rete aggrovigliata di neuroni. Le cellule a forma di stella, chiamate astrociti, riempiono diligentemente i vuoti tra le reti neurali, ognuna avvolta intorno a migliaia di connessioni neuronali chiamate sinapsi. Questa disposizione conferisce ad ogni singolo astrocita un'intricata struttura tipo spugna.

Una nuova ricerca svolta alla Duke University ha scoperto che gli astrociti sono molto più che l'entourage dei neuroni. La loro architettura unica è estremamente importante anche per regolare lo sviluppo e la funzione delle sinapsi nel cervello. Quando non funzionano bene, la loro disfunzione potrebbe essere alla base dei problemi neuronali osservati in malattie devastanti come l'autismo, la schizofrenia e l'epilessia.

Il team della Duke ha identificato una famiglia di tre proteine ​​che controllano la struttura a ragnatela di ciascun astrocita mentre cresce, e riveste le strutture neuronali come le sinapsi. Spegnere una di queste proteine ​​non solo limita la complessità degli astrociti, ma altera anche la natura delle sinapsi tra i neuroni che toccano, cambiando il delicato equilibrio tra i collegamenti nervosi eccitatori e inibitori.

"Abbiamo scoperto che la forma degli astrociti e le loro interazioni con le sinapsi sono fondamentalmente importanti per la funzione del cervello e possono essere collegate alle malattie in un modo che i ricercatori hanno finora trascurato", ha dichiarato Cagla Eroglu, professoressa associata di biologia cellulare e neurobiologia alla Duke. La ricerca è stata pubblicata oggi 9 novembre su Nature.

Gli astrociti ci sono quasi da quando c'è il cervello. Anche i semplici invertebrati come il piccolo verme C. elegans hanno forme primitive di astrociti che nascondono le loro sinapsi neurali. Mentre il nostro cervello si è evoluto in una complessa macchina computazionale, la struttura degli astrociti è diventata ancora più elaborata.

Ma la complessità degli astrociti dipende dai loro compagni neuronali. Fai crescere astrociti e neuroni insieme in un piatto, e gli astrociti formeranno strutture intricate a stella. Coltivali da soli, o con altri tipi di cellule, e non cresceranno.

Per scoprire come i neuroni influenzano la forma degli astrociti, Jeff Stogsdill, dottorato recente di ricerca del laboratorio della Eroglu, ha allevato le due cellule insieme mentre metteva a punto i meccanismi di segnalazione cellulare dei neuroni. È stato sorpreso di scoprire che, anche se uccideva completamente i neuroni, ma conservava la loro struttura come impalcatura, gli astrociti continuavano a svilupparsi splendidamente su di loro.

"Non importava che i neuroni fossero morti o vivi; in entrambi i casi, il contatto tra astrociti e neuroni permetteva all'astrocita di diventare complesso", ha detto Stogsdill. "Questo ci ha detto che ci sono interazioni tra le superfici cellulari che regolano il processo".

Stogsdill ha cercato nelle banche dati genetiche esistenti le proteine ​​cellulari superficiali note per essere espresse dagli astrociti, e ha identificato tre candidati che potrebbero aiutare a dirigere la loro forma. Queste proteine, dette neuroligine, hanno un ruolo nella costruzione delle sinapsi neurali e sono state collegate a malattie come l'autismo e la schizofrenia. In precedenza, le loro funzioni erano state studiate principalmente nei neuroni.

Per scoprire quale ruolo hanno le neuroligine negli astrociti, Stogsdill ha armeggiato con la capacità degli astrociti di produrre queste proteine. Ha scoperto che quando ha disattivato la produzione di neuroligine, gli astrociti sono cresciuti piccoli e senza punte. Ma quando ha aumentato la produzione, gli astrociti sono cresciuti a una dimensione quasi doppia. "La forma degli astrociti era direttamente proporzionale alla loro espressione di neuroligine", ha detto Stogsdill.

Regolare l'espressione delle neuroligine non ha cambiato solo la dimensione e la forma degli astrociti. Ha avuto anche un effetto drastico sulle sinapsi che l'astrocita toccava. Quando Stogsdill ha spento una singola neuroligina (neuroligina 2) il numero di sinapsi eccitatorie o "vai" è sceso del 50 per cento. Il numero di sinapsi inibitorie o "stop" è rimasto lo stesso, ma la loro attività è aumentata.

"Stiamo ora imparando che uno dei segni distintivi dei disturbi neurologici come la schizofrenia, l'autismo e l'epilessia è uno squilibrio tra eccitazione e inibizione", ha detto Stogsdill. "Il che ci fa concludere che queste molecole associate alle malattie sono potenzialmente al lavoro negli astrociti per alterare questo equilibrio".

Ben Barres, professore di neurobiologia alla Stanford University, che non era coinvolto nello studio, ha salutato i risultati come "un progresso rivoluzionario molto importante" per capire come le interazioni tra i neuroni e gli astrociti possono influenzare la formazione di sinapsi. "Questi risultati mostrano ancora una volta vividamente come ogni processo importante nel cervello può essere compreso solo come dialogo tra astrociti e neuroni", ha detto Barres. "Ignorare gli astrociti, che sono notevolmente più numerosi dei neuroni, è sempre un errore".