Cosa succede nel nostro cervello quando impariamo ad andare in bicicletta o a parlare una nuova lingua?
Mentre stiamo imparando una nuova abilità, o ci esercitiamo per migliorarla, gruppi di neuroni si attivano simultaneamente e scambiano segnali elettrici in maniera sincrona, creando nuove connessioni o modificando quelle esistenti. Più ripetiamo un movimento o una nuova parola, più, le sinapsi – i punti di contatto tra i neuroni – si rafforzano.
Questo fenomeno, noto come plasticità sinaptica, è alla base dell’apprendimento e della memoria, ma anche dell’abilità – non meno importante – di dimenticare.
Se l’uso frequente di una sinapsi la rafforza, il suo mancato utilizzo la rende sempre più debole: in questo modo il cervello può disfarsi delle informazioni che non gli servono più e fare spazio alle nuove, continuando a imparare per tutta la vita.
Come avviene questo processo nel cervello umano e fino a quale livello di dettaglio possiamo osservarlo con le tecnologie attuali?
Un nuovo modello di organoide, creato dai ricercatori del St. Jude Children's Research Hospital di Memphis, Tennessee, riproduce in vitro la plasticità neuronale a livello di singole sinapsi, che è come vedere un film in alta risoluzione dopo anni di visione in bianco e nero su un vecchio televisore a tubo catodico. I risultati, pubblicati su Cell Reports, aprono nuove strade per lo studio delle funzioni cognitive e delle malattie neurologiche.
Come comunicano i neuroni?
La comunicazione nel cervello avviene per la maggior parte per via elettrochimica. Il neurone A invia un impulso elettrico fino al punto di contatto con il neurone B, la sinapsi, determinando il rilascio di mediatori chimici, i neurotrasmettitori, che attraversano lo spazio tra i due neuroni e si legano alla membrana del secondo.
Questo legame comporta l’ingresso di un flusso di ioni carichi (sodio Na+ e potassio K+) nel neurone B: quando l’accumulo di cariche positive (depolarizzazione) supera una determinata soglia, parte un nuovo impulso elettrico, che viene trasmesso al neurone successivo.
Per studiare la comunicazione neuronale nei modelli umani, le scienziate e gli scienziati hanno sempre usato sistemi a bassa risoluzione, in grado cioè di misurare le risposte di gruppi di neuroni senza però mai scendere al livello delle singole cellule o sinapsi. La sfida, quindi, è riuscire a osservare fenomeni complessi che avvengono a una scala piccolissima, inferiore al micron (un milionesimo di metro).
Una “sinapsi” in provetta
Prima ancora, però, è necessario creare un modello che possa mimare il funzionamento del cervello umano fuori dal corpo. I ricercatori del St. Jude hanno realizzato un nuovo tipo di organoide, combinando le cellule di due regioni cerebrali, il talamo e la corteccia.
Gli organoidi sono masse cellulari che si auto-organizzano per formare una struttura tridimensionale che somiglia a una versione semplificata e miniaturizzata dell’organo reale. La materia prima sono sempre le cellule, che in questo caso sono state derivate da cellule staminali umane pluripotenti indotte (IPSCs), riprogrammate dalle ricercatrici e dai ricercatori per differenziarsi in neuroni del sistema nervoso.
La scelta è caduta sul sistema talamocorticale perché questo è fondamentale per vari processi sensoriali e cognitivi, tra cui appunto l’apprendimento e la memoria.
Le scienziate e gli scienziati hanno sviluppato un modello primitivo di questo sistema mantenendo in coltura organoidi talamici e corticali in stretta prossimità. Le due masse cellulari, percependo la vicinanza reciproca, hanno fatto quello che per cui sono programmate: sviluppare e far crescere processi a lungo raggio (assoni) che formano connessioni tra di loro. Quando due organoidi diversi si fondono, come in questo caso, formano un “assembloide”, che permette ai neuroni di continuare a svilupparsi e comunicare tra loro.
I neuroni possono imparare in vitro
A questo punto, però, le ricercatrici e i ricercatori avevano bisogno di capire se questo processo fosse casuale o se invece le connessioni stabilite tra i neuroni fossero sinapsi funzionali. Un modo per verificarlo era osservare la plasticità sinaptica, ovvero l’aumento o la diminuzione della trasmissione del segnale tra neuroni stimolati in maniera sincrona – due fenomeni noti rispettivamente come potenziamento a lungo termine (LTP) o depressione a lungo termine (LTD).
In altre parole: può un gruppo di neuroni cresciuti in laboratorio eseguire funzioni essenziali per l’apprendimento e la memoria al di fuori del corpo umano?
La letteratura scientifica ci dice che sì, è possibile. Due anni fa, in un curioso esperimento condotto dalla start up biotecnologica Cortical Labs di Melbourne, una equipe di scienziate e scienziati aveva insegnato a un gruppo di neuroni a giocare allo storico videogioco Pong (ne avevamo parlato qui). Una manciata di cellule in una capsula di Petri aveva imparato a controllare una racchetta virtuale per colpire una pallina virtuale. Aveva imparato velocemente, quasi in tempo reale, come alcune delle nostre migliori intelligenze artificiali.
Un modello per la plasticità sinaptica
Grazie a strumenti elettrofisiologici ad alta risoluzione, le scienziate e gli scienziati hanno misurato i livelli di glutammato – il neurotrasmettitore eccitatorio predominante nei mammiferi – dimostrando che anche in provetta i neuroni mostrano caratteristiche di plasticità sinaptica. I meccanismi, però, non erano gli stessi osservati nei modelli animali: l’assembloide replica invece il comportamento del sistema talamocorticale umano, ed è quindi un modello potenzialmente più affidabile per studiare il cervello umano e le malattie ad esso associate.
«Sappiamo che i deficit talamocorticali sono presenti nella schizofrenia, nell'autismo e in altri disturbi psichiatrici. Con questo modello possiamo studiare la plasticità sinaptica come conseguenza di mutazioni note,» hanno concluso le ricercatrici e i ricercatori.