lunedì 30 dicembre 2013

Il Cablaggio del Cervello - Approfondimento - Colonne di Dominanza Oculare ed altre Stranezze

Pag 711 del Testo

Le Colonne di Dominanza Oculare (o Striscie o Bande, dipende da come vengono osservate) sono una caratteristica peculiare di alcuni Primati, in particolare degli Esseri Umani e dei Macachi, e di alcuni Carnivori, in particolare Gatti e Furetti.

[ci sorge la domanda del perché loro e non altri? ]

Per molti anni, i Ricercatori hanno ritenuto che gli Input dai due Occhi fossero inizialmente sovrapposti nello Strato IV della Corteccia Visiva di queste Specie e che la Separazione in Colonne alternate fosse basata sul Confronto di Attività prodotta nella Retina.

Molto recentemente tuttavia, questo convincimento è stato messo a dura prova osservando che gli Input specifici da ciascun Occhio alla Corteccia Visiva dei Furetti possono essere rilevati anche quando lo Sviluppo ha luogo senza che avvenga alcuna Attività Retinale.

Questa Scoperta suggerisce che sono i Meccanismi di Orientamento Molecolare, più che gli Schemi di Attività, a determinare la Separazione in Strisce di Dominanza Oculare.

E' importante riconoscere però che alcuni problemi nello Sviluppo possono avere più di una Soluzione.

Le diramazioni dell'Albero dell'Evoluzione dei Mammiferi che portano ai Primati ed ai moderni Carnivori cominciarono a divergere 95 milioni di anni fa.

Dal momento che molti altri Mammiferi hanno perduto la Strutturazione in Colonne di Dominanza Oculare, i Biologi dell'Evoluzione ritengono che le Colonne di Dominanza Oculare nei Carnivori e nei Primati si sono evolute separatamente, per cui dobbiamo usare cautela nel generalizzare i Meccanismi di Formazione della Dominanza Oculare.

Questo punto fu chiaramente illustrato dagli Studi condotti sulle Rane a tre occhi da Martha Constantine-Paton e dai suoi Studenti negli anni '80, all'epoca alla Princeton University.

E' evidente che in natura le Rane non hanno tre occhi, di solito ne hanno due, e ciascuna Retina proietta gli Assoni esclusivamente al Tetto del Mesoencefalo Ottico Controlaterale.

Tuttavia, trapiantando un Occhio in via di formazione da un Embrione di Rana all'area del Prosencefalo di un altro Embrione di Rana, i Ricercatori riuscirono a creare una situazione in cui due Proiezioni Retinali erano costrette a Crescere insieme verso lo stesso Tetto del Mesoencefalo (Figura A, parte (a)).

Sorprendentemente, gli Input si Separavano in Strisce che somigliavano molto agli Schemi di Dominanza Oculare presenti nella Corteccia Striata delle Scimmie (Figura A, parte (b)).

Se l'Attività Retinale veniva bloccata, tuttavia, gli Assoni provenienti dai due Occhi si mescolavano rapidamente.

Questo Esperimento dimostra che delle Differenze nella Attività Retinale possono in effetti essere usate per Separare gli Input, come suggeriscono i modelli Hebbiani di Sviluppo.

[Questo è il documento originale della Pubblicazione dell'Esperimento di Martha Constantine-Paton]

martedì 10 dicembre 2013

Il Cablaggio del Cervello - Il Riordino delle Sinapsi in Funzione dell'Attività - La Separazione Sinaptica

Pag 709-712 del Testo.

La Precisione del Cablaggio che viene raggiunta mediante Chemioattrattanti e Chemiorepellenti è notevole.

Tuttavia in alcuni Circuiti la Rifinitura delle Connessioni Sinaptiche sembra necessitare di Attività Neurale.

Un esempio classico è la Separazione degli Input Specifici dell'Occhio nell'LGN dei gatti.



  1. Separazione degli Input della Retina all'LGN
    I primi Assoni a raggiungere l'LGN usualmente sono quelli provenienti dalla Retina Controlaterale, ed essi si diffondono fino ad occupare l'intero Nucleo Genicolato Laterale.
    Qualche tempo dopo, giungono le Proiezioni Ipsilaterali [si faccia riferimento all'immagine di copertina del Blog] e si mescolano con le Proiezioni dell'Occhio Controlaterale.
    A questo punto gli Assoni provenienti dai due Occhi, si Separano nei Domini Specifici per l'Occhio che sono caratteristici dell'LGN Adulto.

    Se viene Silenziata l'Attività Retinale con la TTX (Tetrodotossina di cui abbiamo parlato in questo articolo) viene inibito questo Processo di Separazione, (ricordiamoci che l'Effetto della TTX è quello di bloccare i Potenziali d'Azione).

    Qual'è la Sorgente dell'Attività? E come gestisce la Separazione?

    Poiché la Separazione si verifica nel grembo materno, prima ancora dello Sviluppo dei Fotorecettori, è evidente che la Separazione non può essere Guidata da Stimoli Luminosi.
    Sembra piuttosto che le Cellule Gangliari della Retina siano spontaneamente Attive durante questo periodo dello Sviluppo Fetale.

    Comunque questa Attività non è casuale.
    Alcuni Studi condotti da Carla Shatz ed i suoi colleghi della Stanford University indicano che le Cellule Gangliari della Retina si innescano in "Onde" quasi-sincrone che si diffondono attraverso la Retina.
    L'Origine dell'Onda e la sua Direzione di Propagazione possono essere casuali ma durante ogni onda, l'Attività di una Cellula Gangliare è altamente Correlata con l'Attività delle Cellule vicine.
    E dal momento che queste onde vengono generate indipendentemente nelle due Retine, gli Schemi di Attività che ne derivano nei due Occhi sono tra loro Scorrelati.

    [Questo è l'articolo di Carla Shatz in cui parla delle "Onde" di Attività]

    Si crede che la Separazione Sinaptica dipenda da un Processo di Stabilizzazione Sinaptica per cui vengono conservati solo i Terminali Retinali che sono Attivi contemporaneamente come i loro Neuroni Postsinaptici Obiettivo nell'LGN.
    Questo Meccanismo ipotetico di Plasticità Sinaptica fu formulato per la prima volta dallo Psicologo Canadese Donald Hebb negli anni '40.
    Di conseguenza, le Sinapsi che possono essere modificate in questo modo sono dette Sinapsi di Hebb, ed i Riordinamenti Sinaptici di questo tipo sono detti Modifiche Hebbiane.

    Sulla base di questa Ipotesi, ogni volta che un'Onda di Attività Retinale guida un Neurone Postsinaptico nell'LGN ad innescare dei Potenziali di Azione, le Sinapsi tra Input dato da Cellula Gangliare della Retina e Neurone Postsinaptico Obiettivo nell'LGN vengono stabilizzate.
    (Si faccia riferimento alla figura seguente)



    Dal momento che l'Attività nei due Occhi non si verifica contemporaneamente, gli Input competeranno con un Processo basato su un Algoritmo del tipo "Il vincitore prende tutto" che andrà avanti finché uno degli Input [rappresentati dalle Presinapsi illustrate in figura] rimarrà e l'altro verrà eliminato.

    Gli Input Retinali che casualmente capitano nello Strato LGN inappropriato sono i "perdenti" poiché la loro Attività non è consistentemente Correlata con la Risposta Postsinaptica più forte (che viene evocata dall'Attività dell'altro Occhio).

    Ora esploreremo alcuni Meccanismi Potenziali per una tale Modifica Sinaptica basata sulla Correlazione.
  2. Separazione degli Input dell'LGN alla Corteccia Striata
    Nella Corteccia Striata delle scimmie e dei gatti (ma non in molte altre Specie, inclusa la Specie Umana), gli Input dai Neuroni dell'LGN che servono i due Occhi sono Separati in Colonne di Dominanza Oculare.
    Questa Separazione si verifica prima della Nascita e sembra essere dovuta ad una Combinazione di Segnali di Orientamento Molecolare e Differenze di Attività Retinale (si veda il prossimo articolo sulle Colonne di Dominanza Oculare).

    Senza tenere conto di come si formano le Colonne di Dominanza Oculare, tuttavia, va detto che il fatto che vi sia una Separazione non implica che gli Assoni perdano la loro abilità a Crescere o Ritirarsi.

    La Plasticità delle Colonne di Dominanza Oculare dopo la Nascita può essere notevolmente dimostrata attraverso una Manipolazione Sperimentale praticata da Wiesel e Hebb [che da animalista mi disturba non poco], detta Deprivazione Monoculare in cui una palpebra viene chiusa e sigillata [giuro mi sa di esperimento nazista, ma purtroppo, la Scienza progredisce anche in questo modo].
    Se la Deprivazione Monoculare viene iniziata immediatamente dopo la Nascita, il risultato sorprendente è che le Colonne dell'Occhio aperto si ampliano mentre quelle dell'Occhio chiuso si restringono. (Come si vede in figura).



    Fortunatamente [anche per la povera bestiola oggetto dell'esperimento], l'effetto della Deprivazione Monoculare è reversibile, basta [per tempo] chiudere l'altro Occhio e riaprire l'Occhio Deprivato in precedenza.

    Il Risultato di questa Inversione di Occlusione è l'ampliamento delle Colonne di Dominanza Oculare dell'Occhio precedentemente Deprivato che si erano ristrette e dualmente il restringimento dell'Occhio che era rimasto aperto e che ora è chiuso.

    Pertanto gli Assoni dell'LGN e le loro Sinapsi nello Strato IV sono altamente dinamici, anche dopo la Nascita.
    Si tenga presente che questo tipo di Riordino Sinaptico non è tanto Dipendente dall'Attività Neuronale, bensì è Dipendente dall'Esperienza, poiché è in relazione con la Qualità degli Stimoli Sensoriali Ambientali.

    La Plasticità delle Colonne di Dominanza Oculare tuttavia non si verificherà più nel corso della Vita.
    Hubel e Wiesel scoprirono che se la Deprivazione viene attuata più tardi nel corso della Vita dell'Individuo, non si riscontra alcun Effetto Anatomico nello Strato IV.

    Quindi esiste un Periodo Critico per questo tipo di Modifiche Strutturali.

    Nei Macachi, il Periodo Critico per la Plasticità Anatomica dello Strato IV rientra nelle prime 6 settimane di Vita.
    Alla fine del Periodo Critico, gli Afferenti dall'LGN apparentemente perdono la loro capacità di Crescita e Ritrazione, ed in un certo senso sono "cementati" sul posto [diciamo più tecnicamente che il Cablaggio si è Consolidato ].

    E' importante sottolineare che ci sono diversi Periodi Critici durante lo Sviluppo [quindi esistono intervalli entro i quali si possono verificare fenomeni di Separazione e Riordino Sinaptico o Plasticità Anatomica di determinate Aree del Cervello, e si deduce che questi intervalli sono disgiunti, ovvero tra un intervallo Critico ed un altro si hanno fasi inerti].
    Si tratta di Periodi specifici durante i quali l'Esito dello Sviluppo è influenzato dall'Ambiente (come vedremo in un prossimo articolo).
    Nella Corteccia Visiva, la fine del Periodo Critico per la Plasticità Anatomica dello Strato IV non significa che l'Esperienza Visiva non sia più in grado di Influenzare lo Sviluppo Corticale.

    Come vedremo, le Sinapsi nella Corteccia Striata restano Modificabili dall'Esperienza fino all'Adolescenza ed anche oltre.

    [Questo è l'articolo in cui si descrivono gli Esperimenti di Wiesel e Hebb]

domenica 8 dicembre 2013

Il Cablaggio del Cervello - Il Riordino delle Sinapsi in Funzione dell'Attività

Pag 708-709 del Testo.

Si immagini un Neurone avente la seguente struttura Input-Output


  1. Output: Sei Sinapsi
  2. Input: Due Neuroni Presinaptici A e B.
E si faccia riferimento alla figura seguente.



a) Un Riordino potrebbe consistere [un Riordino diciamo "bilanciato" ] nell'avere tre Sinapsi in Input sul Dendrite da ciascuno dei Neuroni, A e B. Come vediamo nell'immagine a sinistra.
b) Un altro Riordino invece può essere eseguito come si vede a destra. Ossia una sola Sinapsi in Input sul Dendrite da A, e cinque da B.

Il Passaggio dallo Stato a) allo Stato b) è detto Riordino Sinaptico

[Seguite questa animazione interessante da Youtube, si hanno un certo numero di Assoni provenienti da diversi Neuroni, Arancio, Verde, Fucsia, Blu, Azzurro. Nell'ordine scompaiono tutti fino a mantenere solo le Sinapsi del Neurone Azzurro ].

Si ha evidenza di un notevole e diffuso Riordino Sinaptico che avviene in un Cervello immaturo. 

Il Riordino Sinaptico è il passo finale nel Processo di Selezione del Percorso. 

A differenza dei passi precedenti nella Formazione dei Percorsi, il Riordino Sinaptico si verifica come Conseguenza di Attività Neurale e Trasmissione Sinaptica

[Quindi è un Processo che si verifica per così dire dopo che le Sinapsi, ed in definitiva i Neuroni Connessi hanno cominciato a "funzionare" ed utilizza questa Comunicazione per valutarne la Portata Informativa e quindi Dimensionare i vari "canali di Comunicazione" costituiti dal numero di Sinapsi ].

Nel Sistema Visivo, parte di questa Configurazione in Funzione dell'Attività Neurale si verifica prima della Nascita, in Risposta a Scariche Neuronali spontanee.

Tuttavia un significativo Sviluppo Funzione dell'Attività Neurale si verifica dopo la Nascita ed è profondamente influenzato dalle Esperienze Sensoriali dell'Infanzia.
Pertanto si riscontra che il massimo delle prestazioni del Sistema Visivo viene determinato da una significativa estensione della qualità dell'Ambiente Osservabile [dalla qualità degli Stimoli Visivi a cui il soggetto viene sottoposto] durante il primo periodo Postnatale.

Noi, nel vero senso della parola, impariamo a Vedere durante un Periodo Critico dello Sviluppo Postnatale.

I Neuroscienziati che hanno aperto la strada in questo campo non sono altri che David Hubel e Torsten Wiesel i quali, se ricordiamo quanto detto nel Cap X [che trascriveremo successivamente] hanno anche gettato le basi per la nostra attuale comprensione del Sistema Visivo Centrale nel Cervello Adulto.
Nel 1981 hanno condiviso il Premio Nobel per la Medicina con Roger Sperry [di cui abbiamo parlato sia riguardo allo Split Brain qui che recentemente in merito agli esperimenti sulla Crescita Assonale qui ].

Furono usati negli Esperimenti di Hubel e Wiesel Macachi e Gatti [povere bestiole] come Modelli per gli Studi sullo Sviluppo del Sistema Visivo in Funzione dell'Attività Neuronale dal momento che, come per gli Esseri Umani, entrambe queste Specie hanno una buona Visione Binoculare.

In Studi recenti sono stati impiegati dei Roditori dal momento che si considerano più adatti per l'investigazione dei Meccanismi Molecolari sottostanti.

[questo è l'articolo che riassume gli Studi di Hubel e Wiesel nel 1962 sulla Visione Binoculare ]

sabato 7 dicembre 2013

Il Cablaggio del Cervello - L' Eliminazione delle Cellule e delle Sinapsi - Cambiamento nella Capacità Sinaptica

Pag 707-708 del Testo

Ciascun Neurone può recepire sui propri Dendriti e Soma un numero finito di Sinapsi.

Questo numero è la Capacità Sinaptica del Neurone.

Lungo il Sistema Nervoso, la Capacità Sinaptica raggiunge un picco durante lo Sviluppo e tende a ridursi man mano che il Neurone matura.

Ad esempio, nella Corteccia Striata di tutte le Specie esaminate fino ad ora, la Capacità Sinaptica dei Neuroni immaturi supera di circa il 50% quella dei Neuroni adulti.
In altri termini, i Neuroni della Corteccia Visiva nel Cervello dei neonati ricevono 1,5 volte più Sinapsi dei Neuroni adulti.

Ma quando i Neuroni Corticali perdono tutte queste Sinapsi?

Gli Scienziati Jean-Pierre Bourgeois e Pasko Rakic dell'Università di Yale [Yale University School of Medicine] hanno condotto uno Studio dettagliato per rispondere a questa domanda basandosi sulla Corteccia Striata dei Macachi.
Essi scoprirono che la Capacità Sinaptica rimaneva pressoché costante nella Corteccia Striata dall'Infanzia fino alla prima Pubertà.
Tuttavia, nel periodo della successiva Adolescenza, la Capacità Sinaptica decresceva molto rapidamente, di quasi il 50% in circa 2 anni.
Un rapido calcolo rivelò un fatto sorprendente: La perdita di Sinapsi nella Corteccia Visiva Primaria durante l'Adolescenza si verifica ad una frequenza di 5000 Sinapsi al secondo! (Non ci stupisce allora il fatto che l'Adolescenza è un periodo così 'snervante' ).

[Questo è l'articolo che riassume lo Studio condotto dagli Scienziati]

Ancora una volta la Giunzione Neuromuscolare è stata un utile modello per lo Studio della Eliminazione Sinaptica.
All'inizio una Fibra Muscolare può ricevere Input da vari differenti Motoneuroni.
Alla fine, tuttavia, questa Innervazione Polineuronale viene persa, e ciascuna Fibra riceve un Input Sinaptico da un singolo Motoneurone Alpha (Si veda la parte (a) della figura qui sotto).

Questo processo è Regolato dalla Attività Elettrica nel Muscolo.

Il Silenziamento dell'Attività della Fibra Muscolare conduce ad una Conservazione dell'Innervamento Polineuronale, mentre la Stimolazione [Elettrica] del Muscolo accelera l'Eliminazione di tutti tranne un solo Input.

Attente Osservazioni hanno rivelato che il primo Cambiamento durante l'Eliminazione delle Sinapsi è la perdita dei Recettori Postsinaptici di Acetilcolina (AChR ovvero Recettori Postsinaptici Colinergici [di cui abbiamo già parlato in questo articolo ]), seguito dallo smontaggio del Terminale Presinaptico e dalla Ritrazione del Ramo dell'Assone.

Cosa provoca la Scomparsa del Recettore?

La Risposta sembra essere la insufficiente Attivazione del Recettore in un Muscolo altrimenti Attivo.
Se i Recettori sono parzialmente bloccati con Alpha-Bungarotossina (si veda articolo Cap V), si ritraggono verso l'interno del Terminale Postsinaptico ed il sovrastante Terminale Assone si ritira (si veda la parte (b) della figura qui sotto).

Tuttavia, se tutti i Recettori AChR sono bloccati, la Sinapsi rimane, dal momento che anche il Muscolo è Silente.

[quindi ricapitolando, se una parte dei Recettori lavora ma a ritmo insufficiente, i Recettori si ritirano e l'Assone pure, ma se i Recettori sono totalmente bloccati, essi non si ritirano, tutto viene "congelato" e l'Assone non si accorge e resta connesso ].

Come vedremo nel prossimo articolo, un Processo simile si verifica durante il Perfezionamento delle Connessioni nell'SNC.


mercoledì 4 dicembre 2013

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

Pag 706-707 del Testo.

Intere popolazioni di Neuroni vengono sterminate durante la Formazione dei Percorsi, un Processo noto come Morte Programmata delle Cellule [o Apoptosi].

Dopo che gli Assoni hanno raggiunto i loro Obiettivi ed iniziata la Formazione delle Sinapsi, c'è un progressivo declino nel numero di Assoni e Neuroni Presinaptici.

La Morte delle Cellule è frutto della competizione per i Fattori Trofici [anche noti come Fattori di Crescita], sostanze a sostegno della Vita che sono prodotte in quantità limitate dalle Cellule Obiettivo.

Si ritiene che questo Processo produca l'appropriata combinazione di Neuroni Presinaptici e Postsinaptici. (Come illustrato nella figura seguente).


Un Peptide chiamato Fattore di Crescita Nervoso (o in Inglese Nerve Growth Factor, acronimo NGF) fu il primo Fattore Trofico ad essere identificato negli anni '40 dalla Biologa Rita Levi-Montalcini.

[vedi che qualcosa di buono l'ha fatto, poi in tarda età si è rovinata la reputazione facendo ripetutamente la stampella al governo Prodi dopo essere stata nominata Senatrice a Vita, magari la colpa è di chi ha creato la carica di Senatore a Vita e di chi le ha conferito tale titolo mettendo in politica una persona che avrà anche dei meriti scientifici ma valore e conoscenze politiche praticamente nulli]

l'NGF è prodotto dagli Obiettivi degli Assoni nella Divisione Simpatica dell'ANS.

La Levi-Montalcini e Stanley Cohen scoprirono che l'iniezione in topi appena nati di Anticorpi in grado di attaccare l'NGF determinava una totale degenerazione dei Gangli Simpatici [ovvero i Gangli della Divisione Simpatica dell'ANS].

L'NGF prodotta e rilasciata dal Tessuto Obiettivo, viene Captata dagli Assoni Simpatici e Trasportata in modo Retrogrado, ed agisce per promuovere la Sopravvivenza del Neurone.

Se invece il Trasporto dell'Assoplasma è perturbato, il Neurone muore, nonostante venga rilasciato l'NGF dal Tessuto Obiettivo.

Questo lavoro pionieristico fece ottenere alla Levi-Montalcini e Cohen il Nobel nel 1986.

[qui la pubblicazione dei lavori di Cohen e Levi-Montalcini ]

L'NGF è un membro di una Famiglia di Proteine Trofiche tra loro imparentate che vengono complessivamente indicate con il termine di Neurotrofine.
Questa Famiglia include le Proteine:

  1. NT-3
  2. NT-4
  3. Brain Derived Neurotrophic Factor (BDNF in italiano "Fattore Neurotrofico derivato dal Cervello"), il quale è importante per la Sopravvivenza dei Neuroni Corticali Visivi.
Le Neurotrofine agiscono su specifici Recettori di Superficie Cellulare. 
Molti di questi Recettori sono dei Recettori Tirosin Chinasici (RTK) che sono Proteine Attivate dalle Neurotrofine, chiamati Recettori TRK [attenzione all'inversione delle lettere, sono due cose distinte], che Fosforilano l'Amminoacido Tirosina residua sulle loro Proteine di Substrato (Si faccia riferimento al Capitolo VI del Testo).
Questa Reazione di Fosforilazione Stimola una Reazione a Catena di Secondi Messaggeri che alla fine determinano l'Alterazione dell'Espressione Genica nel Nucleo della Cellula.

La descrizione della Morte di una Cellula "Programmata" durante lo Sviluppo riflette il fatto che è effettivamente una conseguenza di Istruzioni Genetiche di "Autodistruzione".
L'importante scoperta dei Geni della Morte Cellulare compiuta da Robert Horvitz al MIT ha ricevuto il Premio Nobel nel 2004.
Ora sappiamo che le Neurotrofine salvano i Neuroni perché spengono il Programma Genetico di Autodistruzione.
L'Espressione Genica di Geni della Morte Cellulare porta i Neuroni alla Morte mediante un processo detto Apoptosi [vedi inizio articolo], che in pratica è il disassemblamento sistematico del Neurone [una sorta di riciclo o fagocitazione].

L'Apoptosi si differenzia notevolmente dalla Necrosi. Infatti nel caso della Necrosi la Morte delle Cellule è Accidentale ed è provocata da Lesioni alla Cellula.

La Ricerca sulla Morte Cellulare Neuronale procede a passo spedito, alimentata dalla speranza di poter recuperare dei Neuroni morenti in Disturbi Neurodegenerativi come il Morbo di Alzheimer o la Sclerosi Laterale Amiotrofica (dei quali si occupa il Cap II ed il Cap XIII del Testo, e che saranno oggetto di Articoli nella fase di ripasso).

[Ecco l'articolo originale di Horvitz in cui si parla dei Geni CED-3 e CED-4 presenti nel nematode Caenorhabditis Elegans, CED-4 è equivalente al Gene Umano APAF1, CED-3 codifica una Proteina simile alla Interleuchina 1 Beta ovvero IL1B]