“Il risultato assomiglia ad un cielo stellato dove ogni stella indica una sinapsi del cervello e l’intensità luminosa il livello di attività di questa sinapsi”. Così il Prof. Antonio Malgaroli, Professore di Fisiologia e di Neuroscienze presso la Facoltà di Psicologia dell’Università Vita-Salute San Raffaele, commenta il metodo rivoluzionario che il suo gruppo di ricerca ha ideato e recentemente pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Communications. L’équipe di scienziati che ha svolto il lavoro è formata tra gli altri da Mattia Ferro, Jacopo Lamanna, Maddalena Ripamonti, Gabriella Racchetti e Vincenzo Zimarino.
Le problematiche delle tecniche “storiche”
La ricerca parte da una considerazione importante: tutto quello che vorremmo sapere sul cervello dipende dalle nostre ipotesi e conoscenze sul funzionamento di specifici circuiti cerebrali. Quando ricordiamo il viso di una persona, prendiamo una decisione impulsiva, se siamo depressi, quando percepiamo un suono, se mostriamo un comportamento fobico…da qualche parte nel nostro cervello uno o, molto spesso, più circuiti sinaptici si sono attivati. Purtroppo l’armamentario a disposizione per misurare l’attività di tali circuiti e correlare questa attività ad un determinato comportamento – umano e animale – è ancora molto povero. Esso comprende o metodiche molto precise ma poco informative sull’attività globale dei circuiti cerebrali (ad esempio quelle che ci permettono di registrare l’attività elettrica di una singola sinapsi), oppure metodi di misura a più basso ingrandimento, quali le tecniche di Brain Imaging, che purtroppo guardano ad eventi su scale temporali molto più lunghe e mancano della risoluzione spaziale necessaria per risolvere l’attività delle sinapsi. Non sapere dove vengono codificate le attività della mente e quali circuiti sinaptici partecipano è il più grosso limite metodologico che ostacola lo sviluppo delle neuroscienze e delle neuroscienze cognitive.
L’idea di un metodo rivoluzionario
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 alla sinapsi un pacchetto di neurotrasmettitori al fine di inviare un messaggio al neurone post-sinaptico. Questi pacchetti di neurotrasmettitore 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.
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 team di ricercatori.
Ma come osservare questi eventi di comunicazione su grande scala? Spiega il Prof. Malgaroli: “L’idea vincente 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. La cosa più straordinaria è che questa metodica non solo è quantitativa ma funziona in vivo e quindi può essere usata per comprendere le basi del comportamento”.
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, N.d.R.], 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”. Al momento del segnale elettrico, se Synbond è presente esso viene catturato in modo estremamente efficace. “La novità è che per la prima volta nella storia si può misurare l’attività delle singole sinapsi appartenenti ad un qualsivoglia circuito cerebrale. 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”.
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 in ambito clinico
La grande novità di questo metodo è che rende possibile studiare i meccanismi di un qualunque comportamento animale o gli effetti di un trattamento farmacologico. “Abbiamo testato il costrutto nella corteccia visiva, valutando il grado e la distribuzione spaziale dell’attivazione sinaptica a seguito di impulsi luminosi applicati all’occhio dell’animale. Esperimenti simili sono stati condotti nella corteccia prefrontale, l’area decisionale per eccellenza, dove abbiamo riscontrato un livello di attività molto più elevato che nella corteccia visiva, presumibilmente legato alla numerosità delle operazioni cognitive che vengono svolte da questa regione corticale. Nella corteccia prefrontale abbiamo inoltre esplorato l’effetto duraturo causato da una singola iniezione di ketamina, oggi utilizzata in clinica come antidepressivo ad azione rapida, dimostrando che una singola dose di ketamina modifica l’attività di questi circuiti sinaptici, una modifica che permane almeno per una settimana dall’iniezione”.
Chiediamo infine al Prof. Malgaroli se esistano dei limiti a questa tecnica: “Al momento questa potentissima metodica non può essere applicata all’uomo, il suo impiego è limitato allo studio delle basi neurali del comportamento animale. Quindi, essa non permette ancora 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 la nostra ricerca motiverà lo 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. A nostro avviso le applicazioni future di questa tecnologia sono molto rilevanti e porteranno ad un grosso progresso nel campo delle neuroscienze”.
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 team di ricercatori.
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 team di ricercatori.
