Una nuova ricerca pubblicata oggi sulla rivista Nature Communications rappresenta un cambio potenzialmente fondamentale nella nostra comprensione del modo in cui le cellule nervose nel cervello generano l'energia necessaria per funzionare.
Lo studio dimostra che i neuroni sono più indipendenti di quanto si credesse e questa ricerca ha implicazioni per una serie di disturbi neurologici.
"Questi risultati suggeriscono che abbiamo bisogno di ripensare il modo in cui guardiamo il metabolismo del cervello", ha detto Maiken Nedergaard MD/DMSc, condirettore del Center for Translational Neuromedicine della University of Rochester e autore principale dello studio. "I neuroni (invece degli astrociti, le cellule di supporto del cervello) sono i consumatori primari di glucosio e questo consumo sembra correlarsi con l'attività cerebrale".
Il cervello richiede un'enorme quantità di energia per fare il suo lavoro. Anche se costituisce solo il 2 per cento della massa corporea dell'essere umano adulto medio, il cervello consuma circa il 20 per cento dell'approvvigionamento energetico del corpo. Di conseguenza, svelare esattamente come le cellule del cervello (i neuroni in particolare) generano energia ha implicazioni significative non solo per capire la biologia di base, ma anche per le malattie neurologiche che possono essere collegate ad un metabolismo del cervello troppo scarso o eccessivo.
Il nostro sistema digestivo converte i carboidrati degli alimenti in glucosio, una molecola di zucchero che è la fonte principale di energia dell'organismo, che viene poi trasportato in tutto il corpo dal sistema sanguigno. Una volta all'interno delle cellule, i mitocondri, le piccole centrali energetiche cellulari, combinano questi zuccheri con l'ossigeno per produrre energia.
Il cervello mantiene il suo ecosistema diverso dal resto del corpo.
Gli scienziati credono da tempo che una cellula di sostegno presente nel cervello (gli astrociti), abbia un ruolo di intermediario, fornendo energia ai neuroni. Questa teoria è chiamata «ipotesi navetta del lattato» (lactate shuttle hypothesis).
Gli scienziati avevano ipotizzato che gli astrociti fossero i consumatori principali di glucosio del cervello e che, come un uccello madre aiuta i suoi pulcini a digerire il cibo, queste cellule convertissero le molecole in un altro derivato (lattato) prima di passarle ai neuroni. Il lattato è una forma di molecola di zucchero che viene usata dai mitocondri come carburante.
"Il problema con l'«ipotesi navetta del lattato» è che esternalizzare la produzione di lattato agli astrociti, pone il neurone in una posizione pericolosa", ha detto Nedergaard. "Perché i neuroni, il tipo di cellula più importante per la nostra sopravvivenza, devono dipendere da un'altra cellula per l'approvvigionamento energetico?"
La nuova ricerca, che è stata condotta sia nei topi che sulle cellule del cervello umano, è stata possibile grazie a una nuova tecnologia di scansione chiamata «microscopia a 2 fotoni» che permette agli scienziati di osservare l'attività del cervello in tempo reale.
Usando un analogo del glucosio, i ricercatori hanno scoperto che sono i neuroni, e non gli astrociti, a assorbire direttamente più glucosio nel cervello. Hanno anche scoperto che, quando sono stimolati e più attivi, i neuroni aumentano il consumo di glucosio, e quando i topi sono anestetizzati, c'è meno assorbimento neuronale di glucosio. Dall'altra parte, l'assorbimento di glucosio da parte degli astrociti rimane relativamente costante indipendentemente dall'attività cerebrale.
A livello cellulare, i ricercatori hanno osservato che i neuroni fanno il loro lavoro di conversione del glucosio in lattato e che un enzima che ha un ruolo chiave nella creazione del lattato (chiamato esochinasi), è presente in quantità maggiore nei neuroni rispetto agli astrociti.
Questi risultati hanno implicazioni significative per la comprensione di una serie di malattie.
La sovrapproduzione di lattato può causare acidosi lattica, che può danneggiare le cellule nervose e causare confusione, delirio e convulsioni. Nell'ictus, l'accumulo di lattato contribuisce alla perdita di tessuto cerebrale e può ostacolare il recupero. Il metabolismo neuronale ha un ruolo importante in condizioni come l'Alzheimer e le altre malattie neurodegenerative.
Ricerche recenti hanno dimostrato che si può ridurre l'attività convulsiva dei topi inibendo il trasporto di lattato tra le cellule. Tuttavia, gran parte di questo lavoro precedente aveva supposto che il lattato fosse prodotto dagli astrociti e che i neuroni fossero solo spettatori passivi. Il nuovo studio mette in discussione questi presupposti, mostrando che i neuroni consumano glucosio direttamente e non dipendono dagli astrociti per la produzione e la consegna del lattato.
"Capire i meccanismi biologici precisi e complessi del cervello è un primo passo nella ricerca sulle malattie", ha detto Nedergaard. "Ogni equivoco sulle funzioni biologiche - come il metabolismo - ha in ultima analisi un impatto sul modo in cui gli scienziati formano le ipotesi e analizzano i risultati. Se cerchiamo nel posto sbagliato, non saremo in grado di trovare le risposte giuste".
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Ulteriori autori includono Iben Lundgaard, Boaman Li, Lulu Xie, Hongyi Kang, Simon Sanggaard, John Haswell, Wei Sun, Siri Goldman, Solomiya Blekot, Michael Nielsen, Takahiro Takano, e Rashid Deane, dell'Università di Rochester o di quella di Copenaghen. Lo studio è stato finanziando dal National Institute of Neurological Disorders and Stroke e dalla Novo Nordisk Foundation.
Fonte: University of Rochester Medical Center (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.
Riferimenti: Iben Lundgaard, Baoman Li, Lulu Xie, Hongyi Kang, Simon Sanggaard, John D. R. Haswell, Wei Sun, Siri Goldman, Solomiya Blekot, Michael Nielsen, Takahiro Takano, Rashid Deane, Maiken Nedergaard. Direct neuronal glucose uptake heralds activity-dependent increases in cerebral metabolism. Nature Communications, 2015; 6: 6807 DOI: 10.1038/ncomms7807
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