Comprendere la spettacolare complessità delle connessioni tra i neuroni nel cervello e come queste si stabiliscono durante lo sviluppo postnatale. Questa la finalità della ricerca di un team di ricercatori del settore di neurobiologia della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista americana PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).

Una squadra internazionale di giovani neurobiologi - Majid Mohajerani, iraniano, che ha appena concluso il dottorato alla SISSA, Sudhir Sivakumaran, studente di dottorato alla SISSA arrivato a Trieste dall’India, Paola Zacchi di Trieste e il post-doc Pedro Aguilera, sudamericano - ha cercato di capire e chiarire alcuni meccanismi coinvolti nei fenomeni di plasticità neuronale, in particolare il ruolo del trasmettitore GABA e del fattore di crescita Brain Derived Neuroptrophic Factor o BDNF.

«Tutte le strutture del sistema nervoso, quando sono immature – spiega Enrico Cherubini, responsabile del settore di neurobiologia della Scuola di eccellenza di Trieste e coordinatore del team di ricerca – sono caratterizzate da oscillazioni spontanee che servono a mettere in comunicazione gruppi di neuroni diversi. In particolare noi ci occupiamo  dell’ippocampo, nelle prime settimane di vita. Questa struttura è fondamentale per i processi di apprendimento e per la formazione della memoria, in particolare di quella dichiarativa di rilevante importanza per la localizzazione “spaziale”».

L’attività neuronale esercita un fondamentale controllo sull’efficacia sinaptica e sul riarrangiamento delle connessioni neurali. Cambiamenti dell’efficacia sinaptica nei circuiti neurali dell’ippocampo sono ritenuti cruciali per la formazione e il consolidamento di tracce di memoria e per l’apprendimento: le proprietà plastiche dei neuroni sono il requisito essenziale perché tali processi si attuino. «L’immagazzinamento delle informazioni all’interno di singoli neuroni e il conseguente rimodellamento del circuito – commenta il neurobiologo della SISSA - avviene proprio quando due o più cellule oscillano in sincronia secondo l’aforisma “cells that fire together wire together”».

Durante la prima settimana di vita postnatale, anche l’attività dell’ippocampo è contraddistinta da oscillazioni spontanee: i cosidetti potenziali depolarizzanti giganti (GDPs) che dipendono dall’azione congiunta del GABA e del glutammato. «Queste oscillazioni - chiarisce Cherubini – contribuiscono a modificare l’efficacia sinaptica».

Il GABA, o acido gamma-amino-butirrico, è il principale neurotrasmettitore inibitorio nel cervello adulto. Agisce come un freno che riduce l’eccitabilità delle cellule nervose. In particolari condizioni, quando l’inibizione GABA-mediata viene meno, si ha un aumento dell’eccitabilità neuronale che può portare a crisi epilettiche.

Nella prima settimana di vita postnatale, il GABA è invece eccitatorio. Tuttavia eccita “poco ma non troppo”. Depolarizzando le cellule induce oscillazioni sincrone e facilita l’ingresso di calcio con effetto benefico sulla sinaptogenesi, ovvero nella formazione e maturazione delle sinapsi. La depolarizzazione mediata dalle oscillazioni di membrana delle cellule nervose porta a un aumento di calcio all’interno delle cellule stesse, con conseguente attivazione di geni, sintesi di nuove proteine e modificazione dei circuiti neuronali.

I ricercatori hanno individuato che durante la depolarizzazione viene rilasciato il fattore di crescita BDNF, che agisce da una parte sui recettori delle cellule pre-sinaptiche, aumentando l’efficacia sinaptica, dall’altra sui recettori delle cellule post-sinaptiche, attivando fattori di trascrizione necessari alla formazione di nuove sinapsi, che sono le strutture altamente specializzate che consentono la comunicazione tra le cellule del tessuto nervoso, il punto d’incontro tra i neuroni dove avviene lo scambio dei neurotrasmettitori tra il neurone pre-sinaptico e il neurone post-sinaptico. «Così - commenta Cherubini - il circuito neuronale del neonato, nella prima settimana di vita, per l’azione congiunta dell’attività pre e post-sinaptica, si viene a rimodellare: alcune sinapsi vengono potenziate, altre indebolite, rendendo più efficace la comunicazione tra i neuroni e quindi potenziando la capacità di apprendimento».

La contemporanea attivazione dell’elemento pre e post-sinaptico, facilitato dalle oscillazioni sincrone dell’intera rete di neuroni, determina i cambiamenti della risposta sinaptica agli stimoli. Le basi della memoria e dell’apprendimento nei primi stadi di sviluppo risiedono proprio in tali cambiamenti.

Una conoscenza più approfondita dei meccanismi responsabili dell’azione depolarizzante ed eccitatoria del GABA nell’ippocampo, nel corso dello sviluppo postnatale, è cruciale quindi per capire i meccanismi fisiologi responsabili della sinaptogenesi.

La ricerca è stata finanziata dal Ministero dell’Università e della Ricerca e dall’Unione Europea.