venerdì 29 novembre 2013

Il Cablaggio del Cervello - Di Speciale Interesse - Il Mistero dell'Autismo

Pag 706 del Testo.

L'Autismo è un Disturbo dello Sviluppo degli Esseri Umani caratterizzato da uno Schema Ripetitivo e Stereotipato del Comportamento ed una menomazione nella Comunicazione e nelle Interazioni Sociali.

Anche se i bambini colpiti dalla Malattia alla Nascita sembrano normali, i primi Sintomi appaiono gradualmente nell'arco dei primi 3 anni di Vita.

Tra i Segni che vengono immediatamente notati dai genitori si ha:

  1. Mancanza dell'Eloquio (entro i primi 16 mesi di Vita)
  2. Uno scarso Contatto Visivo [lo scambio di sguardi tra due persone]
  3. Incapacità a giocare con i giocattoli 
  4. Attaccamento Ossessivo ad un giocattolo o ad un oggetto
  5. Mancanza del Sorriso.
L'Insorgere graduale dell'Autismo suggerisce che avvenga una Alterazione del Percorso dello Sviluppo Cerebrale, e le Ricerche attuali confermano questa Ipotesi. 

Studi eseguiti attraverso l'Imaging mostrano che i bambini Autistici tendono ad avere una Crescita accelerata del Cervello, sia della Materia Grigia che della Materia Bianca, durante la prima Fase Postnatale dello Sviluppo.
Questa Scoperta suggerisce che i Cervelli dei bambini Autistici hanno troppi Neuroni e troppi Assoni, anche se è possibile che avvengano anche dei Cambiamenti nelle Glia.

[Si avete letto bene, avere troppi Neuroni e Assoni non è una buona cosa].

Sebbene le Cause dell'Autismo siano sconosciute, vi sono delle evidenze che indicano chiaramente che alcuni Geni aumentano il di Rischio di Insorgenza della Malattia nei bambini.

Un Fattore di Rischio Genetico è la Mutazione nel Gene che Codifica una Proteina chiamata FMRP.
La mancanza della Proteina FMRP provoca la Sindrome dell'X Fragile [anche nota come Sindrome di Martin-Bell o FRAX], una forma di Ritardo Mentale (si veda articolo in merito), ma che aumenta notevolmente le probabilità di Sviluppare Autismo, da 1 ogni 500 per la popolazione in generale a 1 ogni 5 nei Bambini con la FRAX.

L'FMRP di norma agisce come freno sulla Sintesi Proteica nei Neuroni.
In assenza di questa Proteina, [gioco di parole] viene prodotto un quantitativo eccessivo di Proteine.

La Crescita del Cervello viene Controllata dal Bilanciamento tra Genesi e Distruzione di Cellule, Assoni, le Sinapsi e le Proteine che li comprendono.

 [Proteine che comprendono Cellule, Assoni, Sinapsi, o viceversa sono le Cellule, Assoni, Sinapsi che comprendono queste Proteine? Dal testo la cosa non è chiara]

Le Mutazioni che Sbilanciano questo Processo, come una eccessiva Genesi o una ridotta Distruzione, può condurre alla Crescita anormale del Cervello che alla fine comporta in definitiva una Menomazione nel Comportamento, Comunicazione e Interazioni Sociali che sono caratteristiche dell'Autismo.

I Neuroscienziati sperano che la comprensione di come di norma il Cervello viene Cablato possa suggerire Terapie per correggere la alterata Traiettoria della Crescita Cerebrale nei Bambini a rischio di Autismo.

lunedì 25 novembre 2013

Il Cablaggio del Cervello - Di Speciale Interesse - Perchè gli Assoni del nostro SNC non si rigenerano?

Pag 705 del Testo

A confronto con gli altri Vertebrati, i Mammiferi appaiono sotto vari aspetti più fortunati.

Abbiamo una Capacità di Calcolo ed una Flessibilità Comportamentale della quale i nostri lontani cugini acquatici, Pesci ed Anfibi, sono assolutamente privi.

Tuttavia, in un aspetto molto importante, Pesci e Rane hanno un vantaggio notevole, la Ricrescita di Assoni nell'SNC Adulto dopo una lesione.

[E ti pare poco]

Se si taglia il Nervo Ottico in una Rana, esso Ricresce e si Riattacca. Ma se fai la stessa cosa in un Essere Umano, resterà cieco per sempre.

Naturalmente i nostri Assoni Crescono su lunghe distanze nel Primo Sviluppo. Ma qualcosa accade subito dopo la Nascita, che rende l'SNC, in particolare la Materia Bianca, un ambiente ostile per l'ulteriore Crescita degli Assoni.

Quando viene tagliato un Assone, il Segmento Distale [ossia quello periferico] degenera perché viene isolato dal Soma. Ma la punta mozzata del Segmento Prossimale [ossia quello prossimo al Soma ed in generale alla Sorgente, al Nucleo, al Centro] inizialmente Risponde emettendo Coni di Crescita.
Nell'SNC dei Mammiferi Adulti, purtroppo, questa Crescita fallisce.

Ma non nell'SNP [Sistema Nervoso Periferico]. Se a qualcuno è capitato di avere un taglio profondo che ha reciso un Nervo Periferico, avrà avuto modo di verificare che alla fine nella Pelle Denervata ritorna la Sensibilità.
Questo succede perché gli Assoni dell'SNP sono in grado di Rigenerarsi anche su grandi distanze.

Sorprendentemente, la Differenza principale tra l'SNC e l'SNP dei Mammiferi non è nei Neuroni. Un Assone delle Cellule Gangliari della Radice Dorsale si Rigenera nel Nervo Periferico, ma quando viene colpita l'Area dell'SNC nel Corno Dorsale, la Crescita si arresta.

Viceversa, se un Assone di un Motoneurone ALPHA dell'SNC è reciso in zona Periferica, Ricrescerà verso il suo Obiettivo. Ma se viene reciso nell'SNC non vi sarà alcuna Rigenerazione [Purtroppo per via di quello che è successo a mia madre con la Gliasi del Ponte e Bulbo conosco fin troppo bene questa condizione ].

Quindi a quanto pare, la Differenza Critica sembra essere nel diverso ambiente dell'SNC rispetto all'SNP.
Questa ipotesi fu testata in una serie di importanti Esperimenti che furono condotti da Albert Aguayo ed i suoi Colleghi del Montreal General Hospital agli inizi degli anni '80.
Essi dimostrarono che gli Assoni del Nervo Ottico che si erano spezzati possono Ricrescere su grandi distanze se ad essi viene affiancato un Innesto di Nervo Periferico su cui Ricrescere assieme! Come illustrato dalla Figura seguente:



[Chissà se questo si può fare anche per quanto riguarda altre Aree Cerebrali].

Ma qual'è la differenza tra Nervi Cranici e Nervi Periferici?

E' diverso il tipo di Cellula Gliale Mielinante;
  1.  Nell'SNP sono le Cellule di Schwann
  2. Nell'SNC sono le Oligodendroglia [O Oligodendrociti]
(Si faccia riferimento al Cap. II del Testo).
[Questo è l'articolo di Albert Aguayo in cui si pubblicano i risultati indicati sopra]

Alcuni Esperimenti eseguiti da Martin Schwab dell'Università di Zurigo hanno dimostrato che i Neuroni dell'SNC Cresciuti in una Coltura Tissutale estendono i loro Assoni lungo Substrati preparati da Cellule di Schwann, ma non lungo Oligodendroglia dell'SNC e Mielina.
Questa Scoperta portò alla Ricerca dei Fattori Gliali che Inibiscono la Crescita Assonale, e venne finalmente identificata una Molecola chiamata Nogo all'inizio del 2000.
A quanto pare la Nogo viene rilasciata quando gli Oligodendroglia sono danneggiati.
Gli Anticorpi si Attivano contro il Nogo e neutralizzano l'Attività di Soppressione della Crescita esercitata dalla Molecola Nogo.
Schwab ed i suoi Colleghi iniettarono l'Anticorpo Anti-Nogo (chiamato IN-I o IN-1) in ratti adulti dopo che avevano subito lesioni al Midollo Spinale.
Questo trattamento Abilitò il 5% degli Assoni recisi a Rigenerarsi, una quantità modesta forse, ma sufficiente per permettere all'animale di dare segni di recupero.
Gli stessi Anticorpi sono stati usati per localizzare il Nogo nel Sistema Nervoso.
Questa Proteina è Sintetizzata dagli Oligodendroglia nei Mammiferi, ma non nei Pesci, e non si trova nelle Cellule di Schwann.

[Questo è l'abstract dell'articolo su Pubmed, per visualizzare tutto l'articolo bisogna registrarsi, le pubblicazioni Pubmed sono a pagamento]

Uno degli ultimi passi nel Cablaggio del Cervello dei Mammiferi è costituito dall'Avvolgimento degli Assoni appena formati nella Mielina.
Questo ha l'Effetto benefico di velocizzare la Conduzione dei Potenziali di Azione [tramite i Nodi di Ranvier] ma questo ha un costo pesante, appunto, l'Inibizione della Crescita Assonale dopo una Lesione!

La perdita della Rigenerazione Assonale nell'SNC Adulto venne accettata dai Neurologi nell'ultimo secolo come un fatto triste della Vita.

Tuttavia, la nostra recente comprensione delle Molecole associata alla capacità di Stimolare o Inibire la Crescita Assonale nell'SNC offre delle speranze che nel XXI secolo si possano realizzare dei Trattamenti che siano dedicati a promuovere la Rigenerazione Assonale nel Cervello Umano danneggiato e nel Midollo Spinale.

[Quello che serve a mia madre]. 

domenica 24 novembre 2013

Il Cablaggio del Cervello - L' Eliminazione delle Cellule e delle Sinapsi

Pag 704 del Testo.

I Meccanismi della Formazione dei Percorsi di cui abbiamo discusso sono sufficienti per stabilire un considerevole Ordine nelle Connessioni del Cervello del Feto.

Ad esempio nel Sistema Visivo, questi Meccanismi garantiscono che:


  1. Gli Assoni Retinali raggiungono l'LGN.
  2. Gli Assoni dell'LGN raggiungono lo Strato IV della Corteccia Striata. 
  3. Gli Assoni ai punti 1 e 2 formano Sinapsi nei loro Obiettivi nell'Ordine Retinotopico appropriato. 
Ma l'impresa di Cablare insieme il Sistema Nervoso non è ancora finita. Dopo questo, segue un prolungato periodo di Sviluppo, che inizia da prima della Nascita per arrivare fino all'Adolescenza, fase durante la quale queste Connessioni vengono rifinite. 

Può apparire sorprendente che una delle rifiniture più significative consiste nella Riduzione su Larga Scala di tutte le Sinapsi e Neuroni di nuova formazione. 

Lo Sviluppo appropriato delle Funzioni Cerebrali richiede un accurato Bilancio tra la Genesi e la Eliminazione delle Cellule e delle Sinapsi. 

(Si faccia riferimento anche al prossimo articolo).

giovedì 21 novembre 2013

Il Cablaggio del Cervello - Il Percorso della Scoperta - Tutte le Strade portano [a Roma? No! ] alla Netrina (di Marc Tessier Lavigne)

Riprendo l'articolo originale scritto da Marc Tessier Lavigne al quale aggiungo qualche semplice considerazione.

Siamo a pag. 701 del Testo.

"Non avevo messo in conto di studiare lo Sviluppo del Cervello. Avevo una base culturale in Matematica e Fisica [non dissimile dal sottoscritto, e come per il sottoscritto egli aggiunge:]

Venni attratto dal Cervello visto come Computer Supremo, scegliendo per i miei Studi di Laurea la Investigazione del Processamento della Informazione da parte dei Circuiti della Retina.

Ma durante le Rilevazioni eseguite sui Neuroni sulle Sezioni della Retina, il mio interesse per le Funzioni Cerebrali venne gradualmente sostituito dal maggior fascino indotto dalla questione su come fosse possibile un simile intricato groviglio di Connessioni si potesse formare in modo ripetibile durante lo Sviluppo.

Il problema del Cablaggio del Cervello è ovviamente una storia illustre.

Venne posta alla fine del XIX secolo da Ramon y Cajal, che fornì una risposta che a livello Cellulare era abbastanza corretta. Secondo Ramon y Cajal i Coni di Crescita alle Estremità degli Assoni in via di Sviluppo, erano spinti verso i loro Obiettivi da Segnali di Orientamento specifici nell'Ambiente Embrionale, inclusi i Fattori Chemioattrattanti prodotti dalle Cellule Obiettivo. Nonostante fosse una Teoria suggestiva [e che poi si rivelò vera ] essa non venne immediatamente accettata

[ Osservazione doverosa: la Storia della Scienza è piena di questi casi, di ritardi dati dai dogmatici, dagli scettici, o semplicemente dagli inetti, che dalle loro cattedre, talvolta ottenute in modo non propriamente meritocratico, finiscono con il fare intralcio al Progresso Scientifico, e quindi vediamo Teorie valide che vengono ritardate di anni, o addirittura di decenni, in questo caso addirittura passerà oltre un secolo prima della sua verifica, e questo perché osteggiate dai notabili di turno. La Rete oggi permette di trovare percorsi alternativi a Teorie alternative, che molto spesso si rivelano valide ].

Dal 1800 occorre attendere gli anni '80 del XX secolo per avere una validazione Scientifica della Teoria di Ramon y Cajal, della sua geniale intuizione. Vi fu l'evidenza definitiva che gli Assoni in via di Sviluppo vengono accuratamente guidati e che esistono attività Chemioattrattanti nell'Embrione.

A quell'epoca avevo raggiunto Tom Jessell in qualità di Borsista Postdottorato, ed io assieme ai miei colleghi contribuimmo a questa verifica fornendo la prova dell'esistenza di un Fattore Chemioattrattante nell'SNC, prodotto da Cellule nel Midollo Spinale Ventrale.

A quel punto la sfida era nell'individuare i Segnali di Orientamento Assonale veri e propri. O almeno così pensavo.
A quell'epoca, l'idea prevalente era che già sapevamo la soluzione: i Segnali di Orientamento Assonale erano semplicemente differenti combinazioni di Fattori identificati da poco, comprese le Molecole della Matrice Extracellulare e della Adesione Cellulare.

Il fatto che nei topi o mosche mutanti vi fossero pochi o nulli difetti di Orientamento fu interpretato come conferma della massiva ridondanza dei Meccanismi di Orientamento, piuttosto che come indicazione che non avevamo ancora isolato i Fattori di Orientamento chiave.

L'aver isolato il Chemioattrattante nel Midollo Spinale Ventrale quindi non venne considerato un buon progetto per un Professore Assistente principiante, come ero io allora.

Oltre al rischio relativo al tentativo di Purificazione Biochimica eseguito su una piccola porzione di Tessuto, si riteneva che la soluzione trovata non sarebbe stata di alcun interesse se si trattava semplicemente di una combinazione di Molecole già conosciute. Ma non mi scoraggiai.
Gli effetti del Chemioattrattante sugli Assoni Responsivi in vitro è impressionante. Mediante esso, fuoriesce alle giunture per poter crescere, senza di esso, non riesce a venire fuori.
Ed esso è altamente specifico: non vi sono altri fattori conosciuti all'epoca che potevano simulare questo effetto.
Questa potenza e specificità mi convinsero che sarebbe valsa la pena di identificare quel Fattore.

La scoperta di una tale Attività negli estratti dei Cervelli embrionali forniva una ben più abbondante sorgente per la Purificazione che non il Midollo Spinale.

Facendo ragionevoli ipotesi in merito all'Attività specifica del Fattore, stimai che sarebbe stato possibile Purificarlo da circa 5000 Cervelli di pulcino, un numero gestibile [poveri pulcini!]

Alla fine, tuttavia, quello che mi convinse a scommettere tutto sulla possibilità di isolare il Fattore fu il convincimento che non ci poteva essere nessun'altra cosa che nemmeno lontanamente avrebbe potuto far progredire la nostra conoscenza di una uguale misura.

Ero fortunato perché la mia passione per affrontare questa sfida era condivisa con coi giovani che avevano raggiunto il mio Laboratorio.

La dissezione di massa dei Cervelli dei pulcini, un migliaio ad ogni sessione, fece si che parti del nostro Laboratorio vennero soprannominate "I giorni della Bastiglia" [spiritoso] da uno studente, che giunse a coinvolgere nell'iniziativa 20 tra postdottorandi, studenti ed amici, motivati dal desiderio di contribuire alla Scienza, e la promessa di una ricompensa con una abbuffata di pizza sicuramente non dispiacque loro [a volte la Scienza percorre strade tortuose e singolari... ].
A noi in pratica servivano 25000 Cervelli di Embrioni [la strage degli innocenti] per poter isolare il Fattore Attivo (ero fuori di un fattore cinque [presumiamo voglia dire che si era passati da 5000 a 25000 quindi aveva aumentato la richiesta di Cervelli di cinque volte]) e ci aspettavamo di Purificare non uno ma due Fattori Correlati, che chiamammo Netrina-1 e Netrina-2 dalla radice Sanscrita "netr-" che vuol dire "colui che guida".

Eravamo gratificati dall'aver trovato che la Netrina-1 da sola rappresentava tutte le Attività di fuoriuscita Assonale delle Cellule del Midollo Spinale Ventrale ed era essenziale per l'Orientamento degli Assoni Responsivi.

Da allora, grazie al lavoro di molti Laboratori, incluso il nostro, il settore ha avuto una esplosione, con la scoperta di diverse Famiglie Principali di Fattori di Orientamento, le Netrine, le Semaforine, gli Slit, e le Efrine, le quali in caso di Mutazione, provocano difetti cospicui nell'Orientamento in vivo.

E siamo appena agli inizi della nostra comprensione, tanto determiniamo come questi Segnali collaborano per Orientare gli Assoni, e tanto più emergono prove che [queste sostanze] regolano anche una serie di altri processi, compresi:

  1. Rigenerazione Assonale
  2. Plasticità delle Connessioni Neuronali
  3. Processi esterni all'SNC come la Morfogenesi dei Polmoni e dei Vasi Sanguigni.
La mia esperienza con le Netrine mi ha anche convinto dell'importanza:

  1. di prestare attenzione a forti Effetti Biologici, 
  2. di assumere rischi calcolati di inseguire i Meccanismi Regolatori chiave,
  3. di fare attenzione a dichiarare che i Processi sono Regolati da un grande numero di Fattori, ognuno dei quali contribuisce solo in minima parte, una affermazione fatta ad esempio oggi, nel settore della Rigenerazione Assonale.
Così il mio consiglio agli studenti è lo stesso che do a me stesso ogni giorno: segui i Grandi Effetti; essi forniranno le chiavi per comprendere i misteri che stai esplorando.

[Questo è l'articolo relativo al lavoro di Tessier Lavigne sulla Netrina, si può scaricare l'articolo come formato pdf]

domenica 10 novembre 2013

Il Cablaggio del Cervello - La genesi delle Connessioni - La Guida Assonale

Pag 699-704 del Testo

Cablare il Cervello è una impresa ardua, se si considerano le distanze che gli Assoni devono attraversare nel Sistema Nervoso una volta maturato.

Teniamo tuttavia presente che queste distanze non sono così grandi nelle prime fasi dello Sviluppo, quando l'intero Sistema Nervoso non misura che pochi centimetri.

Una tipica modalità di Formazione dello Schema è data dall'iniziale insediamento di Assoni Pionieri.

Questi Assoni si allungano man mano che il Sistema Nervoso si espande, e sono utilizzati per guidare gli Assoni vicini che si svilupperanno successivamente verso lo stesso Obiettivo.

Inoltre, resta la questione di come gli Assoni Pionieri crescono nella Direzione corretta, seguendo i Percorsi corretti, verso gli Obiettivi giusti.

La risposta alla questione sembra essere data dal fatto che la Traiettoria degli Assoni è divisa in Segmenti di lunghezza modesta, dell'ordine di qualche centinaio di micron.

L'Assone completa un Segmento quando giunge ad un Obiettivo intermedio.

L'Interazione tra Assone ed Obiettivo intermedio permette uno Scambio Molecolare che reistrada l'Assone verso un altro Obiettivo intermedio.

Quindi, "unendo i puntini" l'Assone alla fine giunge alla sua destinazione definitiva.



  1. Segnali di Orientamento

    I Coni di Crescita differiscono sulla base delle Molecole che essi Esprimono sulle loro Membrane.

    Le Interazioni tra queste Molecole Superficiali delle Cellule con i Segnali di Orientamento Assonale [In inglese "Guidance Cues"] presenti nell'Ambiente determinano la Direzione e la Quantità della Crescita.

    I Segnali di Orientamento Assonale possono essere Attrattivi o Repulsivi, e questo dipende dal tipo di Recettore Espresso dall'Assone.

    1.1 Segnale di Orientamento Assonale Chemioattrattante [per brevità Chemioattrattante]

    Un Chemioattrattante è una Molecola Diffusibile che agisce lungo entro una certa distanza per Attrarre degli Assoni in Crescita verso i loro Obiettivi, così come l'aroma di un Caffè miscela Java [però che intenditori sti autori del testo...] appena tostato può attrarre un amante di Caffè.
    Nonostante l'esistenza di questi Chemioattrattanti fu proposta oltre un secolo fa da Cajal e fu dedotta da molti Studi Sperimentali da alllora, è molto recente la loro Scoperta nei Mammiferi.
    Il primo Chemioattrattante ad essere scoperto da Marc Tessier-Lavigne all'Università della California, San Francisco  è stato una Proteina chiamata Netrina (si veda prossimo articolo).

    [Questa è la Pubblicazione originale relativa alla Ricerca di Tessier-Lavigne]

    La Netrina è secreta dai Neuroni Ventro-Mediali del Midollo Spinale (si veda la figura seguente).



    Il Gradiente [della Concentrazione di] Netrina attrae gli Assoni dei Neuroni del Corno Dorsale che attraverseranno la linea Mediana per formare il Tratto Spinotalamico.
    Questi Assoni possiedono dei Recettori per la Netrina, ed il Legame della Netrina al Recettore spinge la Crescita verso la Sorgente di Netrina.


    1.2 Segnale di Orientamento Assonale Chemiorepellente [per brevità Chemiorepellente]

    Quanto detto nel paragrafo precedente sui Chemioattrattanti è solo metà del Processo.

    Una volta che gli Assoni hanno Decussato attraverso la Linea Mediale, essi devono necessariamente "sfuggire al canto delle sirene" della Netrina [metafora poetica].

    Questa fuga è Abilitata dall'Azione della Proteina Slit, secreta anch'essa dalle Cellule Mediali.

    La Proteina Slit è un esempio di Chemiorepellente, una Molecola Diffusibile che Respinge gli Assoni.

    Affinché la Proteina Slit eserciti questa azione, tuttavia, l'Assone deve Esprimere sulla sua Superficie un Recettore della Slit, che consiste in una Proteina detta Robo [contrazione dell'inglese "Roundabout" ossia "Giostra" o "Rotatoria" ].

    I Coni di Crescita che vengono attratti verso la Linea Mediana dalla Netrina Esprimono solo una piccola quantità di Proteina Robo e sono quindi insensibili alla Repulsione per mezzo della Proteina Slit.

    Ma una volta attraversata la Linea Mediana, incontrano un Segnale di Orientamento Assonale che fa in modo che venga aumentata l'Espressione della Proteina Robo ed allora la Proteina Slit respinge gli Assoni ed in questo modo essi continuano a Crescere lontano dalla Linea Mediana.


    Questo esempio mostra come gli Assoni possono essere "tirati" e "spinti" dalle azioni coordinate di Chemioattrattanti e Chemiorepellenti. La Traiettoria degli Assoni verso la Linea Mediana e fuori da essa è anche vincolata dai Substrati Permissivi che sono disponibili per la Crescita.

    In questo esempio, le Cellule della Linea Mediana sono un Obiettivo intermedio, uno dei "punti da unire", lungo la pista Molecolare che si estende lungo la Linea Mediana.

    Queste Cellule alternativamente attraggono man mano che si avvicina alla Linea Mediana e poi respingono, una volta che ha Decussato da un lato dell'SNC all'altro, l'Assone in Crescita.

    [Questo comportamento della Linea Mediana ricorda gli Autospazi nella Teoria dei Sistemi, lungo i quali una Traiettoria si muove su degli Auto-Sottospazi Asintoticamente Stabili, e che quindi fungono da Attrattori, ed una volta superata una determinata Frontiera, la Traiettoria si trova poi invece nel Dominio di Auto-Sottospazi Instabili che fungono da Repulsori.

    Ad esempio si consideri l'Attrattore di Chua o Double Scroll, oggetto che il sottoscritto conosce bene perché studiato ai tempi della Tesi all'Università. Non entrerò nel merito matematico perché il Sistema è descritto da formule decisamente complesse e l'argomento sarà eventualmente approfondito successivamente.

    In questo Attrattore, si hanno Tre Punti di Sella, ed in ciascuno dei Tre Punti abbiamo come Auto-Sottospazi un Autopiano ed una Autoretta.

    Nei Punti Esterni l'Autoretta è Asintoticamente Stabile e forza la Traiettoria a schiacciarsi sull'Autopiano, mentre l'Autopiano è Instabile e spinge via la Traiettoria con un moto circolare fino a quando non varca la Frontiera e passa nella Zona Centrale.

    Qui invece è l'Autoretta ad essere Instabile mentre l'Autopiano che è contiguo ai due delle Zone Periferiche è Asintoticamente Stabile.

    Ed in questa zona la Traiettoria viene spinta verso l'Autoretta che però la spinge via lungo lo Spazio Esterno opposto, dove la Traiettoria viene a cadere su un punto vicino all'Autoretta, mentre di nuovo l'Autospazio Esterno instabile la rilancia ruotando verso l'esterno finchè non ricade nello Spazio Centrale e l'Algoritmo si ripete].
  2. Stabilire Mappe Topografiche

    Torniamo all'esempio dell'Assone Crescente del Tratto Retinogenicolato (si faccia riferimento a questa figura). Questi assoni crescono lungo il Substrato fornito dalla Matrice Extracellulare della Parete Ventrale del Canale Ottico.

    Un importante "Punto di Decisione" si presenta nel Chiasma Ottico.

    Come abbiamo già visto,

    2.1 Gli Assoni dalla Retina Nasale attraversano e salgono il Tratto Ottico Controlaterale.
    2.2. Gli Assoni della Retina Temporale restano nel Tratto Ottico Ipsilaterale.

    Da quanto detto finora possiamo dedurre che gli Assoni della Retina Nasale e quelli della Retina Temporale devono Esprimere dei differenti Recettori per i Segnali di Orientamento Assonale secreti nella Linea Mediana.

    Una volta che gli Assoni della Retina sono fuoriusciti dalla Linea Mediana, essi continuano ad Innervare degli Obiettivi, come l'LGN ed il Collicolo Superiore.

    Quindi un nuovo Istradamento dell'Assone ha luogo, stavolta per stabilire una Mappa Retinotopica nella Struttura Obiettivo.

    Se accettiamo il concetto che la differenza tra gli Assoni Retinali dipende dalla loro Posizione nella Retina (come deve essere, per tenere conto della Decussazione parziale al Chiasma Ottico), abbiamo allora una base potenziale Molecolare per la realizzazione della Retinotopia.

    Questa idea, ossia che dei Marcatori Chimici sugli Assoni in Crescita si combinino con dei Marcatori Chimici Complementari sui loro Obiettivi per stabilire precise Connessioni è definita Ipotesi di Chemioaffinità.
    Questa Ipotesi fu provata per la prima volta negli anni '40 dal Premio Nobel per la Medicina Roger Sperry presso il California Institute of Technology (Caltech), in una importante serie di Esperimenti in cui venivano impiegate le Proiezioni Retinotettali nelle rane.

    Il Tetto del Mesoencefalo è l'omologo negli Anfibi del Collicolo Superiore nei Mammiferi [Ma come si può vedere dalla immagine di Copertina di questo Blog il Collicolo Superiore nei Mammiferi e nell'Uomo è comunque un sottoinsieme del Tetto ].

    Il Tetto [ad esempio di una rana] riceve Input Retinotopicamente ordinati dall'Occhio Controlaterale ed usa questa Informazione per Organizzare dei Movimenti in Risposta ad uno Stimolo Visivo, come ad esempio cercare di catturare una mosca con la lingua dopo che si è vista passare sopra la testa.

    Quindi, questo Sistema può essere usato per Investigare i Meccanismi che Generano Mappe Ordinate nell'SNC.

    Un altro vantaggio degli Anfibi consiste nel fatto che i loro Assoni dell'SNC si rigenerano una volta recisi [un vantaggio non da poco], mentre la cosa non è purtroppo vera per i Mammiferi [e sarebbe interessante capire perché a loro accade ed a questi no ].

    Sperry trasse vantaggio da questa proprietà per Investigare come le Mappe Retinotopiche andavano creandosi nel Tetto.

    In un Esperimento [un tantinello crudo], Sperry tagliò il Nervo Ottico della rana, le ruotò l'Occhio di 180° nell'Orbita, e quindi permise al Nervo di Rigenerarsi ma con l'Occhio sottosopra.

    Nonostante questa interferenza sugli Assoni nel Nervo Ottico rispetto a quello che si verifica di norma in Natura, gli Assoni si rimisero a Crescere nel Tetto esattamente allo stesso modo che occupavano originalmente, ossia con l'Occhio in posizione non alterata.

    Come Risultato, se una rana con l'Occhio rovesciato, vedeva passare una mosca in alto, dal momento che il suo Campo Visivo era ruotato di 180°, la Reazione consisteva in un tentativo di cattura della mosca ma in basso.
    Tutto questo perché la rotazione di 180° dell'Occhio forniva al Cervello una "Immagine a Specchio" del mondo circostante.

    [Questa è una interessante serie di slides nei quali viene illustrato l'Esperimento di Sperry, da animalista spero che per lo meno Sperry alla povera ranocchietta abbia rimesso a posto l'Occhio dopo averla messa con la vista sottosopra]

    Ma quali sono i Fattori che Controllano l'Istradamento degli Assoni Retinali fino alla corretta posizione nel Tetto del Mesoencefalo?

    Quando gli Assoni giungono al Tetto, essi devono Crescere lungo le Membrane delle Cellule del Tetto.

    2.3 Gli Assoni provenienti dalla Retina Nasale attraversano la Parte Anteriore del Tetto ed Innervano i Neuroni nella Parte Posteriore.
    2.4 Gli Assoni provenienti dalla Retina Temporale, invece, Crescono nella Parte Anteriore e li si fermano. (Si veda la parte (a) della figura seguente).



    Qual'è la causa di questa differenziazione? Gli Esperimenti hanno dimostrato che le Membrane Cellulari dei Neuroni del Tetto del Mesoencefalo Esprimono in modo differente dei Fattori nella Parte Anteriore rispetto a quella Posteriore che permettono una Crescita su Percorsi separati degli Assoni Retinali Nasali e Temporali, secondo il seguente schema:

    2.5 Gli Assoni Retinali Nasali, Crescono bene sul Substrato fornito tanto dalle Membrane Cellulari Anteriori che Posteriori.
    2.6 Gli Assoni Retinali Temporali, invece, Crescono soltanto sulle Membrane Cellulari Anteriori del Tetto del Mesoencefalo; mentre le Membrane Posteriori sono Repulsive (come si vede nella parte (b) della figura qui sopra).

    Recenti Ricerche hanno condotto alla scoperta che delle Proteine dette Efrine sono i Segnali di Orientamento Assonale Repulsivi per gli Assoni Retinali Temporali.

    Le specifiche Molecole di Efrina vengono secrete in un Gradiente attraverso la Superficie del Tetto del Mesoencefalo, con i livelli di Concentrazione più alti presenti sulle Cellule Posteriori del Tetto del Mesoencefalo. Una Efrina Interagisce con uno specifico Recettore, detto Eph, sull'Assone Crescente. L'Interazione dell'Efrina con il suo Recettore Inibisce la Crescita Assonale, in modo analogo alla Interazione Slit-Robo di cui abbiamo discusso in precedenza.

    Questi Gradienti di Concentrazione nell'Espressione dei Segnali di Orientamento ed i loro Recettori Assonali possono imporre un considerevole ordine Topografico al Cablaggio della Retina sui suoi Obiettivi nel Cervello. Tuttavia, come vedremo tra poco, la Rifinitura definitiva delle Connessioni necessita della Attività Neurale.
  3. Formazione delle Sinapsi

    Quando finalmente un Cono di Crescita viene in contatto con il suo Obiettivo definitivo si forma una Sinapsi.

    Gran parte di quel che sappiamo su tale processo ci proviene dagli Studi sulle Giunzioni Neuromuscolari.

    Il primo passo appare essere l'Induzione di un Ammasso di Recettori Post-Sinaptici al di sotto del Sito del Contatto Nervo-Muscolo.

    La formazione dell'Ammasso viene innescata da una Interazione tra le Proteine secrete dal Cono di Crescita e la Membrana Obiettivo.

    Alla Giunzione Neuromuscolare, una di queste Proteine, detta Agrina, viene depositata nello Spazio Extracellulare al Sito di Contatto (si faccia riferimento alla figura seguente).



    Lo Strato di Proteine in questo Sito di Contatto è detto Lamina Basale.

    La Agrina nella Lamina Basale si Lega ad un Recettore nella Membrana Cellulare del Muscolo. Questo Recettore è denominato recettore muscolo-specifico tirosina chinasi (MuSK).

    Il MuSK comunica con un'altra Molecola, detta Rapsina, che sembra agire come "pastore" che "raccoglie le pecore" rappresentate dai Recettori Post-Sinaptici di Acetilcolina (AChR) [in Italiano detti anche Recettori Colinergici] alla Sinapsi.

    La dimensione del "gregge" di Recettori è regolato da un'altra Molecola, rilasciata dall'Assone, detta Neuregulina, che stimola l'Espressione Genica del Recettore nella Cellula Muscolare.

    L'Interazione tra Assone e Obiettivo si verifica in entrambe le direzioni, e l'Induzione [presumo qui intenda la costituzione, la formazione] di un Terminale Presinaptico appare anche coinvolgere Proteine nella Lamina Basale.

    I Fattori della Lamina Basale forniti dalla Cellula Obiettivo evidentemente possono Stimolare gli ioni Calcio (Ca2+) ad entrare nel Cono di Crescita, ed in questo modo innesca il Rilascio di Neurotrasmettitore.
    Quindi, sebbene la Maturazione finale della Struttura Sinaptica può avvenire nell'arco di settimane, una rudimentale Trasmissione Sinaptica appare molto rapidamente una volta stabilito il Contatto.

    Il Ca2+ oltre a Mobilizzare il Trasmettitore, entrando nell'Assone innesca anche dei Cambiamenti nel Citoscheletro che fanno in modo che assume l'apparenza di un Terminale Presinaptico e fanno in modo che aderisca strettamente al suo Partner Postsinaptico.

    Dei passi simili sono implicati nella Formazione di Sinapsi nel SNC, ma stavolta si verificano in un ordine diverso, ed usano Molecole decisamente distinte (si veda la figura seguente).



    Vediamo i passi illustrati in figura:

    3.1 L'Imaging microscopico dei Neuroni nelle Colture Tissutali rivela che i Filopodi si formano in continuazione e si ritraggono dai Dendriti Neuronali in cerca di Innervazione. La Formazione delle Sinapsi inizia quando queste Protrusioni Dendritiche raggiungono e toccano un Assone di passaggio.

    3.2 Questa Interazione appare produrre una Zona Attiva Presinaptica che è stata assemblata precedentemente ed è già pronta per essere depositata sul Sito di Contatto.

    3.3 Dopo aver prodotto la Zona Attiva Presinaptica si ha il "reclutamento" dei Recettori del Neurotrasmettitore sulla Membrana Postsinaptica.

    A completamento del Processo, l'adesione di specifiche Molecole che sono Espresse sia dalla Membrana Presinaptica che Postsinaptica permettono ai due Partner di essere saldati assieme.

domenica 3 novembre 2013

Il Cablaggio del Cervello - La genesi delle Connessioni - L'Assone in Crescita

Pag 698-699 del Testo

Una volta che il Neuroblasto è migrato fino a raggiungere la Posizione appropriata nel Sistema Nervoso, il Neurone si Differenzia ed estende i Processi che alla fine diverranno Assone e Dendriti.

In questa fase iniziale, tuttavia, i Processi Assonali e Dendritici sembrano piuttosto simili e vengono ancora collettivamente indicati come Neuriti.

La punta crescente del Neurite è indicata come Cono di Crescita (si veda la figura seguente).


Il Cono di Crescita è specializzato per Identificare un Percorso Appropriato per l'allungamento del Neurite.

Il bordo anteriore del Cono di Crescita consiste di Lamelle Piane di Membrana chiamate Lamellipodi [sing. Lamellipodio o in lat. Lamellipodium, plur. Lamellipodia] che ondeggiano in modo ritmico come le Pinne Pettorali a forma di Ali di una Pastinaca che si muova sul fondo dell'Oceano.

Dai Lamellipodi escono delle sottili punte dette Filopodi [sing. Filopodio o in lat. Filopodium, plur. Filopodia], i quali costantemente sondano l'ambiente circostante, e si muovono dentro e fuori i Lamellipodi.

La crescita del Neurite si verifica quando un Filopodio, invece di ritrarsi, prende possesso del Substrato (la Superficie su cui il Neurite sta crescendo) e spinge in avanti il Cono di Crescita.

E' ovvio che la crescita dell'Assone non può verificarsi se il Cono di Crescita non ha la possibilità di avanzare lungo il Substrato.

Un Substrato importante consiste di Proteine fibrose che sono depositate negli spazi tra le Cellule, la cosiddetta Matrice Extracellulare.

La crescita dell'Assone si verifica a patto che la Matrice Extracellulare contenga le Proteine appropriate.

Un esempio di Substrato "permissivo" è la Glicoproteina  Laminina.

Gli Assoni durante la crescita Esprimono speciali Molecole di Superficie dette Integrine che si legano con la Laminina, e questa Interazione promuove l'allungamento dell'Assone.

I Substrati "permissivi", circondati da Substrati "repulsivi", possono fornire dei corridoi che incanalano la Crescita dell'Assone lungo percorsi specifici.

Il viaggio attraverso queste piste Molecolari viene agevolato dalla Fascicolazione (Assonale)

[da non confondersi con la Fascicolazione che è una contrazione muscolare involontaria ].

La Fascicolazione (Assonale) è un Meccanismo che permette agli Assoni che crescono assieme di legarsi tra loro (come si vede nella figura seguente)


La Fascicolazione (Assonale) è dovuta alla Espressione di specifiche Molecole di Superficie dette Molecole di Adesione Cellulare [o MAC o con l'Acronimo inglese CAMs da Cell-Adhesion Molecules].

Le CAM nella Membrana di Assoni affiancati fanno in modo che si leghino l'uno all'altro, permettendo agli Assoni una crescita "in fase" o all'unisono.

venerdì 1 novembre 2013

Il Cablaggio del Cervello - La genesi delle Connessioni

Pag 697-698 del Testo

Appena i Neuroni si Differenziano, essi estendono i loro Assoni, e questi ultimi devono puntare agli Obiettivi appropriati.

Questo Sviluppo di Connessioni di Lunga Distanza, o Formazione dei Percorsi, nell'SNC va divisa in tre fasi.

  1. Selezione del Percorso (dove)
  2. Selezione dell'Obiettivo (quale Area)
  3. Selezione dell'Indirizzo (quale Cellula dentro l'Area)
Per capire bene il significato di questi tre termini, prendiamo il consueto esempio dello Sviluppo del Percorso Visivo dalla Retina fino all'LGN come indicato nella figura seguente.


1. Selezione del Percorso

Immaginiamo di dover condurre un Assone che sta crescendo da Cellula Gangliare Retinale verso la corretta collocazione nell'LGN.

Dovremo compiere i seguenti passi per stabilire dove l'Assone deve muoversi:

1.1 Viaggiare lungo il Canale Ottico in direzione del Cervello, fino a raggiungere il Chiasma Ottico.
1.2 A questo punto l'Assone deve decidere quale direzione scegliere alla Biforcazione del Chiasma Ottico, e 
      si hanno tre direzioni possibili:
      1.2.a Percorrere il Tratto Ottico dallo stesso lato (Ipsilateralmente). Questo potrebbe avvenire se
               l'Assone proviene da una Cellula Gangliare Retinale presente nella Retina Temporale (ossia la 
              "Retina esterna")
      1.2.b Percorrere il Tratto Ottico nel lato opposto (Controlateralmente). Questo potrebbe avvenire se
               l'Assone proviene da una Cellula Gangliare Retinale presente nella Retina Nasale (ossia la "Retina
               interna" quella che si trova verso il Naso).
      1.2.c Penetrare nell'altro Nervo Ottico [per intenderci in direzione dell'altro Occhio]. Questo non
               dovrebbe avvenire in nessun caso.
Questi sono esempi di "Decisioni" che devono essere prese dall'Assone che cresce durante la Selezione del Percorso

2. Selezione dell'Obiettivo

Sempre facendo riferimento alla figura sopra, una volta che la Cellula Gangliare Retinale si è aperta la strada nel Talamo Dorsale, bisogna stabilire quale Nucleo Talamico va innervato. Naturalmente nel nostro caso la scelta corretta è l'LGN. La Decisione è detta Selezione dell'Obiettivo.

3. Selezione dell'Indirizzo

Trovare l'Obiettivo giusto non è sufficiente. E' necessario ancora trovare lo Strato corretto entro l'LGN. E bisogna assicurarsi che l'Assone fuoriesca dal fascio di Assoni Retinali in modo che la Retinotopia nell'LGN venga correttamente stabilita. Questo è un esempio delle Decisioni che vanno prese dall'Assone in Sviluppo durante la Selezione dell'Indirizzo.


Vedremo che ciascuna delle tre fasi della Formazione del Percorso dipende in modo critico dalla Comunicazione tra Cellule.

Questa Comunicazione si verifica in diversi modi:


  1. Contatto diretto Cellula-Cellula
  2. Contatto tra Cellule e Secrezioni Extracellulari di altre Cellule.
  3. Comunicazione a distanza tra Cellule per mezzo di Sostanze Chimiche che si diffondono.
Appena i Percorsi si formano, i Neuroni di pari passo cominciano a Comunicare attraverso i Potenziali d'Azione e la Trasmissione Sinaptica.