Si aprono nuove prospettive nella comprensione della memoria, delle malattie neurodegenerative e dell’epilessia. Un team congiunto dell’Istituto di Biofisica del Consiglio Nazionale delle Ricerche (Cnr-Ibf) di Pisa e della Scuola Normale Superiore, con il supporto del Center for Human Technologies dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, ha studiato come si sviluppano le reti neuronali nelle primissime fasi della vita, concentrandosi su due aree chiave per la memoria: l’ippocampo e la corteccia entorinale.
Coltivando cellule nervose in laboratorio, i ricercatori hanno analizzato le loro connessioni e l’attività elettrica che generano. Lo studio, pubblicato su Stem Cell Reports, pone le basi per sviluppare in futuro strategie sperimentali volte a correggere eventuali anomalie, attraverso farmaci mirati o tecniche di riprogrammazione cellulare.
Le basi molecolari della formazione delle reti neuronali
Questa è l’affascinante microfotografia, ottenuta dai ricercatori con un microscopio confocale, della coltivazione cellulare che permette di distinguere le fibre nervose di neuroni coltivati in quattro quadranti separati, identificabili per colorazioni fluorescenti diverse, che si connettono tra di loro. Nei quattro quadranti ci sono neuroni della neocorteccia (alto a sinistra), della corteccia entorinale (alto a destra), dell’ippocampo (basso a destra) e ancora della neocorteccia (basso a sinistra).
«Abbiamo scoperto che nelle cellule nervose esistono programmi genetici specifici che regolano la formazione delle reti neuronali, indipendentemente dai loro spostamenti o dalla loro divisione durante lo sviluppo embrionale», spiega Federico Cremisi, professore di Fisiologia alla Scuola Normale di Pisa e autore dello studio.
Utilizzando un innovativo protocollo sperimentale chiamato MiBi, il team ha manipolato la segnalazione intracellulare nelle cellule staminali embrionali per studiare come questa influenzi le connessioni tra neuroni che esse generano. I ricercatori hanno così scoperto che i neuroni appena formati possiedono già le informazioni necessarie per stabilire le loro connessioni e la loro attività elettrica, senza bisogno di segnali esterni.
«Siamo rimasti sorpresi nel vedere che, anche in coltura bidimensionale, le cellule di diverse regioni cerebrali formano reti neuronali con schemi di attività caratteristici della loro area di origine», aggiunge Cremisi: ossia, le connessioni tra neuroni seguono un codice predefinito e si organizzano autonomamente, senza richiedere un ambiente tridimensionale complesso.
La connessione tra corteccia entorinale, ippocampo e la memoria
Corteccia entorinale e ippocampo sono strutture chiave per la memoria: la corteccia entorinale è la regione che consente di acquisire nuove informazioni e riconoscere schemi spaziali e temporali; l’ippocampo, invece, organizza e associa questi ricordi, rendendoli parte di un sistema più complesso che permette di integrare diverse informazioni sensoriali.
«La corteccia entorinale è come un archivista che raccoglie le informazioni, mentre l’ippocampo è l’organizzatore che collega i dati tra loro per costruire memorie più elaborate», spiega Cremisi.
Spiega Ludovico Iannello, fisico del CNR che ha lavorato insieme all’autore principale, il biologo Fabrizio Tonelli della Scuola Normale: «Quando abbiamo connesso le due reti in vitro, l’attività sincronizzata (cioè l’attivazione elettrica dove gruppi di neuroni si accendono e si spengono in modo coordinato) è emersa anche nei neuroni dell’ippocampo, dimostrando che la loro funzione dipende dall’interazione con la corteccia entorinale». Se l’ippocampo viene lasciato da solo, non sviluppa le onde cerebrali tipiche della memoria ma se viene messo a contatto con la corteccia entorinale inizia a funzionare correttamente, cioè si attiva per formare memorie.
Implicazioni per le malattie neurologiche, come sindrome di Rett ed epilessia
Oltre a migliorare la nostra comprensione dello sviluppo cerebrale, i risultati dello studio potrebbero avere importanti implicazioni per la ricerca sulle malattie neurologiche. In un cervello sano, la sincronizzazione tra gruppi di neuroni è essenziale per funzioni come la memoria, l’attenzione e il sonno. Nella sindrome di Rett, ad esempio, è stato osservato che queste reti neuronali presentano connessioni difettose e un’attività elettrica anomala, che potrebbe essere dovuta proprio a un problema nei segnali di sviluppo tra le cellule.
«Possiamo studiare reti di neuroni con mutazioni genetiche associate a patologie come questa o l’autismo e osservare come le alterazioni influenzano la connettività e l’attività elettrica delle reti neuronali», spiega Angelo Di Garbo, ricercatore dell’Istituto di Biofisica del CNR.
Anche l’epilessia, dove la sincronizzazione neuronale può diventare eccessiva e incontrollata, potrebbe beneficiare di questi studi. «Uno degli obiettivi futuri sarà cercare biomarcatori precoci dell’epilessia analizzando l’attività elettrica delle reti neuronali in coltura – afferma Di Garbo – Se riuscissimo a identificare segnali premonitori, potremmo sviluppare strumenti diagnostici che consentano di intervenire prima che si manifestino le crisi convulsive».
Lo studio condotto dal team italiano, oltre a gettare nuova luce sulla formazione delle connessioni neuronali nel cervello in via di sviluppo, potrebbe dunque aprire la strada a nuove strategie diagnostiche e terapeutiche per malattie neurodegenerative e disturbi neurologici. «Comprendere meglio questi meccanismi è un passo essenziale per sviluppare nuove terapie mirate», conclude Cremisi.
