Ricerche

Sfidando un concetto che dura da 70 anni di come funziona la neurotrasmissione, questa immagine di microscopio elettronico dell'assone di un neurone (al centro) mostra la sua morfologia a collana di perle, finora mai osservata. (Fonte: Quan Gan e Mitsuo Suga)

Con un nuovo studio provocatorio, degli scienziati sfidano un principio fondamentale nelle neuroscienze sulla forma degli assoni - i filamenti lunghi e sottili che si irradiano dalle cellule nervose, e dove passano i segnali elettrici verso altre cellule - e propongono un nuovo modello per comprendere il modo in cui le informazioni vengono trasmesse nel cervello.

Lo studio, guidato dall'autore senior Shigeki Watanabe, professore associato di biologia cellulare della Johns Hopkins University di Baltimora (Maryland/USA), è stato eseguito parzialmente nel corso di neurobiologia del Marine Biological Laboratory (MBL) ed è apparso su Nature Neuroscience.

Da più di 70 anni, gli scienziati raffigurano gli assoni come cavi ultrasottili, che variano di diametro lungo la loro lunghezza ma di forma approssimativamente cilindrica. Si pensava che i segnali elettrici (potenziali d'azione) passino attraverso di essi a velocità costante, come auto che corrono dentro una galleria. (Questo concetto ed equazione di velocità proviene dallo studio storico dei potenziali d'azione nell'assone gigante dei calamari di Alan Hodgkin e Andrew Huxley negli anni '40-'50, realizzato in parte all'MBL).

Tuttavia, Watanabe e il team dimostrano che gli assoni hanno in realtà una morfologia 'perle-su-una-collana' a livello di nanoscala: tratti di cavo intervallati da rigonfiamenti che chiamano 'nano-perle' (o bottoni non sinaptici). La velocità del potenziale d'azione non è costante, affermano, ma modulata da cambiamenti nelle dimensioni delle nano-perle, che a loro volta sono prodotte da cambiamenti meccanici nella membrana e dal citoscheletro dell'assone mentre il potenziale d'azione lo percorre.

"Possiamo pensare a questo come ad auto che viaggiano su un'autostrada", afferma Watanabe. “Se hai un'autostrada a 4 corsie all'interno di una galleria, le auto viaggiano regolarmente. Ma se l'autostrada avesse 4 corsie, che che diventano 1 corsia, poi di nuovo 4, poi ancora una, è così che sembrano in realtà gli assoni. E concluderesti che il flusso di traffico non sarebbe così fluido.

"Ma ciò che è interessante è che le dimensioni delle perle-sulla-collana possono cambiare in determinati punti. Abbiamo dimostrato che puoi modulare le dimensioni delle nano-perle cambiando fattori nell'area locale, come il colesterolo nella membrana plasmatica. Ciò, a sua volta, modula la velocità del potenziale d'azione. Quindi, gli assoni sono altamente flessibili in questo senso".

Capire la malattia neurodegenerativa

Questa scoperta ha implicazioni per capire le malattie neurodegenerative, ha affermato Watanabe. L'Alzheimer, ad esempio, è associato a una cattiva regolazione del colesterolo nel cervello. Lo studio di Watanabe mostra che la dimensione delle nano-perle è modificata dal colesterolo che entra ed esce dalla membrana plasmatica neuronale, che a sua volta regola la velocità di conduzione dei potenziali d'azione. Se questo meccanismo è compromesso, potrebbe infine portare alla morte assonale.

"Sarà interessante in futuro esaminare le mutazioni che portano alla neurodegenerazione, come appare la morfologia degli assoni in quei neuroni e se la plasticità degli assoni è ancora presente", ha detto Watanabe.

Surgelazione per arrivare alla scoperta

Questa ultrastruttura dell'assone che descrivono Watanabe e il team è molto al di sotto del limite di diffrazione della microscopia ottica: il tratto di assone è di circa 60 nm (1 nanometro = 1 miliardesimo di metro) di diametro e le nano-perle ripetute sono circa 200 nm di diametro. (Le osservazioni sono state fatte in assoni non mielinizzati in un sistema nervoso di topo).

"Il motivo per cui i ricercatori non avevano notato finora questa morfologia degli assoni, e che noi invece abbiamo osservato, è perché stiamo guardando tessuti crio-conservati al microscopio elettronico", ha detto Watanabe. “Di solito, i ricercatori usano sostanze chimiche per elaborare campioni per la microscopia elettronica e quindi disidratare questi tessuti, che è come trasformare acini d'uva in uva passa. Ma quando la conservi criogenicamente, è come se stessi congelando l'uva. Puoi preservare la forma reale".