I filopodi sono un substrato strutturale per le sinapsi silenti nella neocorteccia adulta. Riepilogo Le sinapsi eccitatorie appena generate nella corteccia dei mammiferi mancano di recettori del glutammato di tipo AMPA sufficienti per mediare la neurotrasmissione, risultando in sinapsi funzionalmente silenziose che richiedono plasticità attività-dipendente per maturare. Le sinapsi silenti sono abbondanti nelle prime fasi dello sviluppo, durante il quale mediano la formazione e il perfezionamento dei circuiti, ma si ritiene che siano rare nell’età adulta1. Tuttavia, gli adulti conservano una capacità di plasticità neuronale e di apprendimento flessibile che suggerisce che prevale ancora la formazione di nuove connessioni. Qui utilizziamo l’imaging proteico a super risoluzione per visualizzare le proteine sinaptiche a 2.234 sinapsi dei neuroni piramidali dello strato 5 nella corteccia visiva primaria dei topi adulti. Inaspettatamente, circa il 25% di queste sinapsi sono prive di recettori AMPA. Queste presunte sinapsi silenziose erano situate sulle punte di sottili sporgenze dendritiche, note come filopodi, che erano un ordine di grandezza più abbondanti di quanto si pensasse in precedenza (comprendendo circa il 30% di tutte le sporgenze dendritiche). Esperimenti fisiologici hanno rivelato che i filopodi effettivamente mancano di trasmissione mediata dai recettori AMPA, ma mostrano una trasmissione sinaptica mediata dai recettori NMDA. Inoltre, dimostriamo che le sinapsi funzionalmente silenziose nella filopodia possono essere messe a tacere attraverso la plasticità Hebbiana, reclutando nuove connessioni attive nella matrice di input di un neurone. Questi risultati mettono in discussione il modello secondo cui la connettività funzionale è in gran parte fissa nella corteccia adulta e dimostrano un nuovo meccanismo per il controllo flessibile del cablaggio sinaptico che espande le capacità di apprendimento del cervello maturo. |
I filopodi (singolare filopodio) sono sottili sporgenze di membrana che fungono da antenne per una cellula per sondare l’ambiente circostante. I filopodi non sporgenti sono legati meccanicamente alle microspighe. I filopodi si trovano comunemente incorporati o sporgenti dal lamelliopodio nella parte anteriore libera dei fogli di tessuto in migrazione. I filopodi sono prominenti anche nei coni di crescita dei neuriti e nelle singole cellule come i fibroblasti.
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I neuroscienziati del MIT hanno scoperto che il cervello adulto contiene milioni di “sinapsi silenziose”, connessioni immature tra neuroni che rimangono dormienti finché non vengono reclutate per contribuire alla formazione di nuovi ricordi.
Finora si credeva che le sinapsi silenti fossero presenti solo nelle prime fasi dello sviluppo, quando aiutano il cervello ad apprendere le nuove informazioni a cui è esposto nei primi anni di vita. Tuttavia, il nuovo studio del MIT ha rivelato che nei topi adulti circa il 30% di tutte le sinapsi nella corteccia cerebrale sono silenziose.
L’esistenza di queste sinapsi silenziose può aiutare a spiegare come il cervello adulto possa continuamente formare nuovi ricordi e apprendere nuove cose senza dover modificare le sinapsi convenzionali esistenti, dicono i ricercatori.
"Queste sinapsi silenziose cercano nuove connessioni e, quando vengono presentate nuove informazioni importanti, le connessioni tra i neuroni interessati vengono rafforzate. Ciò consente al cervello di creare nuovi ricordi senza sovrascrivere ricordi importanti immagazzinati nelle sinapsi mature , che sono più difficili da modificare. " afferma Dimitra Vardalaki, una studentessa laureata del MIT e autrice principale del nuovo studio.
Mark Harnett, professore associato di scienze del cervello e cognitive, è l’autore senior dell’articolo pubblicato su Nature . Anche Kwanghun Chung, professore associato di ingegneria chimica al MIT, è un autore.
Una scoperta sorprendente
Quando gli scienziati scoprirono per la prima volta le sinapsi silenziose decenni fa, furono osservate principalmente nel cervello di giovani topi e altri animali. Durante le prime fasi dello sviluppo, si ritiene che queste sinapsi aiutino il cervello ad acquisire l’enorme quantità di informazioni di cui i bambini hanno bisogno per conoscere il loro ambiente e come interagire con esso. Nei topi, si credeva che queste sinapsi scomparissero intorno ai 12 giorni di età (equivalenti ai primi mesi di vita umana).
Tuttavia, alcuni neuroscienziati hanno proposto che le sinapsi silenziose possano persistere nell’età adulta e contribuire alla formazione di nuovi ricordi. La prova di ciò è stata vista in modelli animali di dipendenza in cui si ritiene che sia in gran parte un disturbo dell’apprendimento aberrante.
Il lavoro teorico sul campo di Stefano Fusi e Larry Abbott della Columbia University ha inoltre proposto che i neuroni debbano mostrare un’ampia gamma di diversi meccanismi di plasticità per spiegare come il cervello possa apprendere in modo efficiente cose nuove e conservarle nella memoria. lungo termine. In questo scenario, alcune sinapsi devono essere facilmente stabilite o modificate per formare nuovi ricordi, mentre altre devono rimanere molto più stabili per preservare ricordi a lungo termine.
Nel nuovo studio, il team del MIT non si è proposto specificamente di cercare sinapsi silenziose. Invece, stavano dando seguito a una scoperta interessante di uno studio precedente nel laboratorio di Harnett. In quell’articolo, i ricercatori hanno dimostrato che all’interno di un singolo neurone, i dendriti, estensioni simili ad antenne che sporgono dai neuroni, possono elaborare l’input sinaptico in modi diversi, a seconda della loro posizione.
Come parte di questo studio, i ricercatori hanno tentato di misurare i recettori dei neurotrasmettitori su diversi rami dendritici, per vedere se ciò potesse aiutare a spiegare le differenze nel loro comportamento. Per fare ciò, hanno utilizzato una tecnica chiamata eMAP sviluppata da Chung. Con questa tecnica, i ricercatori possono espandere fisicamente un campione di tessuto e quindi etichettare proteine specifiche nel campione, rendendo possibile l’imaging ad altissima risoluzione.
Mentre realizzavano quell’immagine, hanno fatto una scoperta sorprendente. "La prima cosa che abbiamo visto, il che è stato molto strano e non ci aspettavamo, è stata la presenza di filopodi ovunque", dice Harnett.
I filopodi, sottili sporgenze di membrana che si estendono dai dendriti, sono già stati osservati in precedenza, ma i neuroscienziati non sapevano esattamente cosa facessero. Ciò è in parte dovuto al fatto che i filopodi sono così piccoli che sono difficili da vedere con le tradizionali tecniche di imaging.
Dopo aver effettuato questa osservazione, il team del MIT ha deciso di cercare di trovare i filopodi in altre parti del cervello adulto, utilizzando la tecnica eMAP. Con loro sorpresa, hanno trovato filopodi nella corteccia visiva del topo e in altre parti del cervello, a un livello 10 volte superiore a quello osservato in precedenza. Hanno anche scoperto che i filopodi avevano recettori dei neurotrasmettitori chiamati recettori NMDA , ma non recettori AMPA.
Una tipica sinapsi attiva ha entrambi i tipi di recettori, che si legano al neurotrasmettitore glutammato. I recettori NMDA normalmente richiedono la cooperazione con i recettori AMPA per trasmettere segnali perché gli ioni magnesio bloccano i recettori NMDA al normale potenziale di riposo dei neuroni. Pertanto, quando i recettori AMPA non sono presenti, le sinapsi che hanno solo recettori NMDA non possono far passare la corrente elettrica e sono chiamate "silenti" .
Sinapsi non silenziate
Per indagare se questi filopodi potessero essere sinapsi silenziose, i ricercatori hanno utilizzato una versione modificata di una tecnica sperimentale nota come patch clamping . Ciò ha permesso loro di monitorare l’attività elettrica generata nei singoli filopodi mentre tentavano di stimolarli imitando il rilascio del neurotrasmettitore glutammato da un neurone vicino.
Usando questa tecnica, i ricercatori hanno scoperto che il glutammato non genera alcun segnale elettrico nel filopodio che riceve l’input, a meno che i recettori NMDA non vengano sbloccati sperimentalmente. Ciò offre un forte sostegno alla teoria secondo cui i filopodi rappresentano le sinapsi silenziose all’interno del cervello, dicono i ricercatori.
I ricercatori hanno anche dimostrato di poter "rendere silenzioso" queste sinapsi combinando il rilascio di glutammato con una corrente elettrica proveniente dal corpo del neurone. Questa stimolazione combinata porta all’accumulo di recettori AMPA nella sinapsi silenziosa, permettendole di formare una forte connessione con l’assone vicino che rilascia glutammato.
I ricercatori hanno scoperto che convertire le sinapsi silenziose in sinapsi attive era molto più semplice che alterare le sinapsi mature.
"Se inizi con una sinapsi già funzionale, il protocollo di plasticità non funziona", afferma Harnett. "Le sinapsi nel cervello adulto hanno una soglia molto più alta, presumibilmente perché si desidera che quei ricordi siano abbastanza resistenti. Non si vuole che vengano costantemente sovrascritti. I filopodi, d’altro canto, possono essere catturati per formare nuovi ricordi."
"Flessibile e robusto"
I risultati supportano la teoria proposta da Abbott e Fusi secondo cui il cervello adulto include sinapsi altamente plastiche che possono essere reclutate per formare nuovi ricordi , dicono i ricercatori.
"Questo articolo è, per quanto ne so, la prima vera prova che questo è il modo in cui funziona effettivamente nel cervello dei mammiferi", afferma Harnett. "Filopodia consente a un sistema di memoria di essere flessibile e robusto. La flessibilità è necessaria per acquisire nuove informazioni, ma è necessaria anche stabilità per conservare informazioni importanti."
I ricercatori stanno ora cercando prove di queste sinapsi silenziose nel tessuto cerebrale umano. Sperano anche di studiare se il numero o la funzione di queste sinapsi è influenzato da fattori come l’invecchiamento o le malattie neurodegenerative.
"È del tutto possibile che modificando la flessibilità di un sistema di memoria, potrebbe diventare molto più difficile modificare i propri comportamenti e abitudini o incorporare nuove informazioni", afferma Harnett. "Si potrebbe anche immaginare di trovare alcuni degli attori molecolari coinvolti nella filopodia e provare a manipolare alcuni di questi elementi per cercare di ripristinare la memoria flessibile con l’avanzare dell’età."
La ricerca è stata finanziata dal Boehringer Ingelheim Fonds, dal National Institutes of Health, dal James W. e Patricia T. Poitras Fund del MIT, da una Klingenstein-Simons Fellowship, da una Vallee Foundation Grant e da una McKnight Fellowship.
