Metodo rivoluzionario rileva in tempo reale l’attività delle connessioni tra neuroni

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La ricerca dell’Università Vita-Salute San Raffaele aprirà allo sviluppo di metodi analoghi che utilizzino molecole già presenti nel nostro cervello e non richiedano modifiche di tipo genetico. Queste potrebbero essere facilmente applicate all’uomo e utilizzate per la diagnosi precoce di molteplici patologie neurologiche e psichiatriche che alterano le funzioni cerebrali, oppure per verificare e migliorare gli effetti di molti trattamenti farmacologi

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Milano, 6 novembre 2017 – Si chiama SynaptoZip ed è un nuovo misuratore dell’attività cerebrale in vivo, creato da un gruppo di ricercatori dell’Università Vita-Salute San Raffaele, guidati da Antonio Malgaroli, professore ordinario di Fisiologia e Neuroscienze presso la Facoltà di Psicologia dell’Ateneo. Alla ricerca hanno partecipato Mattia Ferro, Jacopo Lamanna, Maddalena Ripamonti, Gabriella Racchetti, Alessandro Arena, Sara Spadini, Giovanni Montesano, Riccardo Cortese e Vincenzo Zimarino.

Questo studio, appena pubblicato da Nature Communications, rivela per la prima volta, per ora soltanto in un modello murino, l’attività di un circuito sinaptico: “È come se finalmente si potesse fotografare all’interno del cervello di un essere vivente l’attività dei circuiti sinaptici, e questo con una risoluzione altissima – spiega il prof. Malgaroli – Il risultato della nostra ‘mappa’ assomiglia ad un cielo stellato, dove ogni stella indica una sinapsi del cervello e l’intensità luminosa il livello di attività di questa sinapsi”.

Ad oggi, l’armamentario a disposizione per misurare l’attività dei circuiti cerebrali e correlare questa attività ad un determinato comportamento – umano e animale – è ancora molto povero. Esso comprende metodiche precise ma poco informative sull’attività globale dei circuiti cerebrali, oppure metodi di misura a più basso ingrandimento, come le tecniche di Brain Imaging, che guardano agli eventi cerebrali su scale temporali molto più lunghe e mancano della risoluzione spaziale necessaria per risolvere l’attività delle singole sinapsi. Non sapere esattamente quali circuiti sinaptici partecipino alle attività della nostra mente è il più grosso limite metodologico che ostacola lo sviluppo delle neuroscienze e delle neuroscienze cognitive. È su questo limite che la scoperta dei ricercatori del San Raffaele interviene, aprendo la via all’osservazione degli esatti correlati cerebrali dei nostri comportamenti.

L’idea
La comunicazione tra cellule neuronali avviene a livello della sinapsi, un punto di contatto microscopico tra il neurone pre-sinaptico e quello post-sinaptico. Quando il neurone pre-sinaptico riceve un segnale elettrico, libera un pacchetto di neurotrasmettitori che inviano un ‘messaggio’ al neurone post-sinaptico.

Questi pacchetti di neurotrasmettitori sono contenuti nelle vescicole sinaptiche, piccoli organelli di forma sferica, la cui fusione con la membrana della sinapsi libera il neurotrasmettitore. In questo modo il segnale elettrico può propagarsi tra neuroni, facendo viaggiare lo stimolo all’interno del circuito.

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Fig.1 – Una sinapsi ippocampale. I circuiti sinaptici dell’ippocampo – una specifica area del cervello – codificano le memorie degli episodi della nostra vita. Le tre frecce indicano tre vescicole all’interno del terminale pre-sinaptico pronte a liberare il neurotramettitore. A seguito di un segnale elettrico, queste vescicole sinaptiche si fonderanno con la membrana plasmatica rilasciando all’esterno le molecole di neurotrasmettitore e attivando la post-sinapsi. Il pannello a destra delimita i confini del terminale pre-sinaptico e della post-sinapsi; in arancione sono indicate le tre vescicole dalla forma tondeggiante. Gentile concessione del gruppo di ricerca del San Raffaele

L’idea ‘vincente’ alla base del nostro studio è stata quella di colorare l’interno delle vescicole sinaptiche nell’attimo in cui esse liberano il neurotrasmettitore. In questo modo i circuiti che comunicano diventano visibili, con una intensità di colorazione che riflette il livello di attività del circuito sinaptico – spiega il prof. Malgaroli.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno disegnato a tavolino una molecola denominata SynaptoZip: “Abbiamo preso una proteina che normalmente si trova integrata nella membrana delle vescicole sinaptiche [in arancione nella Fig. 2], cui abbiamo attaccato una proteina fluorescente [in verde] e un’esca [in viola]. Abbiamo inoltre creato per sintesi chimica un piccolo tracciante peptico, Synbond [in azzurro], che può essere colorato con un qualsivoglia colore fluorescente in grado di agganciarsi all’esca” – continua il professore.

Al momento del segnale elettrico e della liberazione del neurotrasmettitore, se Synbond è presente all’esterno della sinapsi esso viene catturato in modo estremamente efficace.

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Fig.2 – La struttura di SynaptoZip, il misuratore di attività cerebrale. In arancione una molecola normalmente integrata nella membrana plasmatica delle vescicole sinaptiche; in verde GFP, una molecola fluorescente; in viola un piccolo peptide che funge da esca per il legante fluorescente Synbond (in azzurro). All’arrivo di un segnale elettrico, le vescicole sinaptiche espongono all’esterno l’esca e catturano Synbond, colorandosi

Le applicazioni
Al momento questa potentissima metodica non può essere applicata all’uomo, il suo impiego è limitato allo studio delle basi neurali del comportamento animale. Essa non permette quindi di affrontare alcune funzioni complesse quali il linguaggio, il ragionamento astratto, ma anche alcune patologie che sono esclusive dell’uomo.

Si può però immaginare che a breve questa ricerca aprirà allo sviluppo di metodi analoghi che utilizzino molecole già presenti nel nostro cervello e non richiedano modifiche di tipo genetico. Queste potrebbero essere facilmente applicate all’uomo e utilizzate per la diagnosi precoce di molteplici patologie neurologiche e psichiatriche che alterano le funzioni cerebrali, oppure per verificare e migliorare gli effetti di molti trattamenti farmacologi.

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Fig. 3 – Una mappa di attività delle sinapsi della corteccia visiva attivate grazie all’esposizione dell’animale ad una serie di stimoli visivi. La gradazione di colori riflette il grado di attività di queste sinapsi nella corteccia visiva (Area V1, strato IV). Gentile concessione del gruppo di ricerca del San Raffaele

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Fig. 4 – Un esempio di un assone corticale. Il pannello in cima indica la posizione delle sinapsi (in verde) grazie alla presenza della proteina fluorescente GFP. Il pannello sotto è un’immagine dello stesso assone, con l’intensità della colorazione (in rosso) a dare un’indicazione dell’attività delle sinapsi. Gentile concessione del gruppo di ricerca del San Raffaele

Lo studio è stato realizzato grazie ai finanziamenti del Ministero Italiano dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca (PRIN 2012) e di Fondazione Cariplo (Ricerca Scientifica 2011).

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