Uno studio collaborativo franco-svizzero rivela un nuovo ruolo degli astrociti nell’elaborazione delle informazioni da parte del cervello.
Il cervello non funziona solo grazie ai neuroni. Infatti, quasi la metà delle cellule che compongono il cervello sono cellule gliali, e tra queste gli astrociti occupano un posto speciale. Il loro nome deriva dallo scheletro a forma di stella, ma il loro aspetto esterno ricorda più certe stelle nebulose con contorni filamentosi che permettono loro di inserirsi negli spazi più piccoli lasciati tra neuroni, vasi sanguigni e altre cellule. Sono quindi a stretto contatto con le sinapsi, i punti di comunicazione tra i neuroni.
Abbiamo dimostrato per la prima volta che gli astrociti non reagiscono semplicemente a una sinapsi isolata.
Dagli anni ’90, infatti, i neuroscienziati sospettano che gli astrociti partecipino attivamente alla trasmissione delle informazioni utilizzando il calcio come molecola messaggera. Questo piccolo componente chimico può innescare una cascata di reazioni nella cellula, compreso il rilascio di trasmettitori molecolari che possono agire per modulare l’attività sinaptica. Affinché questi segnali avvengano, è essenziale una struttura interna chiamata reticolo endoplasmatico (ER) che immagazzina il calcio e lo rilascia in determinate condizioni. Nonostante le numerose ipotesi, il ruolo esatto di questi segnali di calcio è rimasto poco chiaro, soprattutto nelle aree più fini degli astrociti a diretto contatto con le sinapsi, particolarmente difficili da osservare a causa delle loro minuscole dimensioni. Un gruppo di ricercatori delle Università di Losanna (Unil) e Ginevra (UNIGE), dell’Inserm, dell’Università di Grenoble Alpes (Grenoble Institute of Neuroscience, GIN) e del Wyss Center for Bio and Neuroengineering ha ora colmato questa lacuna.
Oltre la semplice sinapsi
Finora gli astrociti sono stati percepiti come cellule che agiscono ai margini delle sinapsi neuronali. Il cosiddetto modello della "sinapsi tripartita" assegnava loro un ruolo ausiliario: modulare l’attività tra due neuroni. Ma il recente studio rivela un ruolo molto più centrale: gli astrociti non si limitano a interagire con una singola sinapsi, ma coordinano simultaneamente diversi input sinaptici provenienti da neuroni diversi per ottenere un maggiore livello di integrazione spaziale e temporale delle informazioni.Lo studio, pubblicato sulla rivista scientifica Cell il 24 settembre, rivela che particolari estensioni della membrana degli astrociti, note come foglietti, avvolgono le sinapsi, contengono ER e sono interconnesse attraverso tunnel chiamati gap junctions per formare un singolo dominio funzionale. In ognuno di questi domini, una piccola quantità di calcio viene rilasciata ogni volta che una sinapsi vicina è attiva. In questo modo, un foglietto può integrare segnali provenienti da dieci o più neuroni diversi. Questi domini rilasciano quindi quantità maggiori di calcio, che riflettono l’integrazione dei diversi segnali neuronali ricevuti. Questo calcio promuove poi il rilascio di fattori in grado di controllare la comunicazione tra le sinapsi avvolte dal foglietto.
Lungi dall’essere un semplice relè, gli scienziati ritengono che gli astrociti siano elementi di calcolo attivi nel cervello. abbiamo dimostrato per la prima volta che gli astrociti non si limitano a reagire a una sinapsi isolata, ma che possono integrare i segnali di interi circuiti neuronali. Questo apre le porte a nuove funzioni cognitive svolte da queste cellule gliali", spiega Andrea Volterra del Dipartimento di Neuroscienze di Base dell’Università di Losanna, professore onorario presso la Facoltà di Biologia e Medicina e co-direttore dello studio.
Esplorare gli angoli più piccoli del cervello
Per osservare queste nuove interazioni, il team ha combinato due tecniche all’avanguardia: la microscopia elettronica volumetrica con risoluzione nanoscopica e una tecnica di microscopia ottica. abbiamo sviluppato la tecnica di microscopia ottica appositamente per questo studio, per poter visualizzare i cambiamenti del calcio in volumi molto piccoli", spiega Nicolas Liaudet, ingegnere presso la Piattaforma di bioimmagine della Facoltà di Medicina dell’Università di Ginevra e coautore dello studio. Questo approccio ha permesso di visualizzare i foglietti nel loro esatto ambiente e di valutarne la composizione, la connettività e il ruolo dinamico. la nostra sinergia metodologica ha avuto un ruolo decisivo nel raggiungimento di questo nuovo livello di comprensione", afferma Karin Pernet-Gallay, direttore della ricerca dell’Inserm e direttore della piattaforma di microscopia elettronica dell’Istituto di Neuroscienze di Grenoble (Inserm-Université Grenoble Alpes) e co-direttrice dello studio.Questi foglietti, di dimensioni inferiori a 250 nanometri, provengono dal corpo cellulare dell’astrocita o dai suoi principali prolungamenti. Non contengono mitocondri, ma hanno frammenti di reticolo endoplasmatico (ER) e il macchinario molecolare in grado di generare piccoli segnali di calcio. Questi prolungamenti sono abbastanza vicini alle sinapsi da rispondere ai loro segnali e sono interconnessi per coordinare risposte più ampie. Sopprimendo geneticamente una parte del macchinario molecolare responsabile della segnalazione del calcio negli astrociti, il team di ricerca è riuscito a dimostrare che questa segnalazione avviene in foglietti in seguito all’attività delle sinapsi. Andrea Volterra spiega che i foglietti sono "torri di controllo biochimico in rete, indipendenti dal resto dell’astrocita. Sembrano essere lì per monitorare e coordinare le informazioni che circolano in ogni via sinaptica secondo un piano di livello superiore".
Funzioni cognitive e cliniche da esplorare
I risultati dello studio mostrano che l’attività degli astrociti è correlata ai segnali sinaptici dei neuroni, ma è anche amplificata quando più neuroni sono attivi contemporaneamente. Questa capacità di integrazione rende potenzialmente gli astrociti controllori su larga scala dell’attività cerebrale, piuttosto che semplici regolatori locali di una singola sinapsi.Queste scoperte offrono nuove strade per la comprensione di funzioni cerebrali superiori come la memoria, l’emozione, la coscienza e il processo decisionale. Potrebbero anche spiegare alcune disfunzioni neuronali osservate nelle patologie cerebrali. è probabile che gli astrociti svolgano un ruolo protettivo o aggravante a seconda del contesto patologico. Ora studieremo il loro coinvolgimento nella memoria e nelle degenerazioni neurocognitive come la malattia di Alzheimer", conclude Andrea Volterra.
