proteine ​​che ricevono i messaggeri chimici che viaggiano tra i neuroni
A colori, le proteine ​​che ricevono i messaggeri chimici che viaggiano tra i neuroni — è stato ottenuto combinando la microscopia a fluorescenza e il tracciamento di molte singole molecole. © Benjamin COMPANS /Daniel CHOQUET/IINS/CNRS Libreria fotografica

Cos’è questa ghirlanda, una decorazione natalizia? Una vista notturna di un’autostrada ripresa da un drone?

Fa infatti parte di un neurone coinvolto nelle nostre capacità di memoria: vediamo in grigio un dendrite (una delle tante estensioni di un neurone) e, in bianco, le sinapsi (le zone di comunicazione chimica tra i neuroni). Le traiettorie multicolori riflettono le proteine ​​che, sulle sinapsi, accolgono i messaggeri chimici provenienti da altri neuroni. Si pensava fino ad ora che queste proteine, i “recettori dei neurotrasmettitori”, fossero immobili sulla superficie dei neuroni. Ma queste immagini ci hanno permesso di fare una scoperta fondamentale: i recettori si muovono sulla superficie dei neuroni!

Qui osserviamo un neurone proveniente da una coltura di neuroni dell’ippocampo di ratto, una regione del cervello coinvolta nei fenomeni di memoria e apprendimento. Questo tipo di immagine ci permette quindi di capire meglio come funziona la memoria.

Sinapsi, elementi costitutivi delle funzioni cerebrali e della memoria

Le sinapsi sono costituite da due parti: la parte presinaptica, che produce e rilascia il neurotrasmettitore, che qui non è visualizzato; e la parte post-sinaptica contenente i recettori dei neurotrasmettitori, e che è qui visualizzata.

Sono stati scoperti alla fine del 19° secolo, il che ha portato alla teoria neuronale che postula che il cervello è costituito da singole cellule – i neuroni – che comunicano tra loro a queste giunzioni sinaptiche.

La loro modalità di comunicazione, caratterizzata da un rilascio di neurotrasmettitore che attiva recettori concentrati nel dominio post-sinaptico, è stata identificata nel corso del XX secolo dall’associazione di tecniche di elettrofisiologia e microscopia elettronica.

Un progresso fondamentale nella nostra comprensione della funzione cerebrale è stata la scoperta negli anni ’70 che l’efficienza della trasmissione sinaptica era “plastica“: non è fissa e può essere modulata da precedenti attività neurali. È importante sottolineare che questi cambiamenti nella trasmissione sinaptica possono essere stabili nel tempo, da ore a mesi.

Questa scoperta ha portato all’ipotesi che gli elementi costitutivi della memoria potessero essere “immagazzinati” nelle sinapsi in questa forma.

“Ipotizziamo che un’attività persistente e ripetuta di un’attività con riverbero (o traccia) tenda ad indurre un cambiamento cellulare persistente che ne aumenta la stabilità. Quando un assone di una cellula A è abbastanza vicino da eccitare ripetutamente e in modo persistente una cellula B, la crescita o i cambiamenti metabolici hanno luogo in una o entrambe le cellule, con conseguente aumento dell’efficienza di A come cellula stimolante B.” 

Donald Hebb, 1949

Eppure si muovono!

In che modo le sinapsi memorizzano le informazioni? Questa domanda fondamentale per la nostra comprensione delle basi cellulari della memoria ha mobilitato i neuroscienziati per più di 50 anni. Fino alla fine del secolo scorso si pensava che i meccanismi essenziali fossero una modulazione dell’efficienza di rilascio dei trasmettitori o delle proprietà biofisiche dei recettori.

Ora, si pensa piuttosto che affinché il neurone post-sinaptico adatti meglio la sua risposta al neurotrasmettitore, sia particolarmente interessante che le proteine ​​del recettore siano mobili su grandi distanze: diversi laboratori hanno dimostrato all’inizio del XXI  secolo che la plasticità

Ciò contrastava con il dogma dell’epoca, che postulava che i recettori dei neurotrasmettitori fossero saldamente ancorati nelle sinapsi e molto stabili. Ma diversi gruppi di ricerca hanno poi scoperto che i recettori erano in perpetuo movimento sulla superficie del neurone, diffondendosi liberamente grazie alla fluidità delle membrane. I recettori si accumulano nelle sinapsi per un fenomeno di cattura, ma sono permanentemente scambiati tra i diversi compartimenti del neurone.

Affascinante, è stato anche scoperto che questo movimento del recettore è fortemente modulato dall’attività neurale, aprendo la porta a studi che collegano la mobilità del recettore alla memoria!

Il controllo della mobilità dei recettori apre nuove finestre per controllare l’attività cerebrale

La formazione di un ricordo è una sinfonia suonata da più zone cerebrali che si sincronizzano per consentirne la codifica, il consolidamento e il richiamo (che rende possibile reagire in modo appropriato quando si incontra la stessa situazione). Allo stesso modo, la plasticità sinaptica è governata da più fasi distinte che consentono una reazione immediata (secondi) e il suo mantenimento a medio termine (minuti) oa lungo termine (giorni e oltre).

La sfida ora è capire come questi due fenomeni sono collegati e il ruolo svolto dalla mobilità dei recettori. È stato recentemente sviluppato in laboratorio una nuova generazione di strumenti molecolari per controllare efficacemente la mobilità dei recettori del glutammato, un importante neurotrasmettitore nel cervello. Combinando approcci farmacologici, elettrofisiologici e comportamentali, esploreremo il legame fondamentale tra plasticità sinaptica e memoria nei topi e cercheranno di comprendere i meccanismi che spiegano i disturbi cognitivi associati a malattie neurodegenerative o del neurosviluppo.

Autore

Daniel Choquet, Yann HumeauUniversità di Bordeaux