Brain Basics: The Life and Death of a Neuron
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Introduzione
L’architettura del neurone
Nascita
Migrazione
Differenziazione
Morte
Speranza attraverso la ricerca
Introduzione
Fino a poco tempo fa, molti neuroscienziati pensavano che nascessimo con tutti i neuroni che avremmo avuto. Da bambini potremmo produrre alcuni nuovi neuroni per aiutare a costruire i percorsi – chiamati circuiti neurali – che agiscono come autostrade dell’informazione tra diverse aree del cervello. Ma gli scienziati credevano che una volta che un circuito neurale era in atto, l’aggiunta di nuovi neuroni avrebbe interrotto il flusso di informazioni e disabilitato il sistema di comunicazione del cervello.
Nel 1962, lo scienziato Joseph Altman sfidò questa convinzione quando vide la prova della neurogenesi (la nascita di neuroni) in una regione del cervello di ratto adulto chiamato ippocampo. In seguito riferì che i neuroni appena nati migravano dal loro luogo di nascita nell’ippocampo ad altre parti del cervello. Nel 1979, un altro scienziato, Michael Kaplan, confermò le scoperte di Altman nel cervello di ratto, e nel 1983 trovò cellule precursori neurali nel proencefalo di una scimmia adulta.
Queste scoperte sulla neurogenesi nel cervello adulto furono sorprendenti per altri ricercatori che non pensavano potessero essere vere negli esseri umani. Ma all’inizio degli anni ’80, uno scienziato che cercava di capire come gli uccelli imparano a cantare suggerì ai neuroscienziati di guardare di nuovo alla neurogenesi nel cervello adulto e cominciare a vedere come poteva avere senso. In una serie di esperimenti, Fernando Nottebohm e il suo team di ricerca hanno dimostrato che il numero di neuroni nel proencefalo dei canarini maschi aumentava drammaticamente durante la stagione degli amori. Questo era lo stesso periodo in cui gli uccelli dovevano imparare nuovi canti per attirare le femmine.
Perché questi cervelli di uccelli hanno aggiunto neuroni in un momento così critico dell’apprendimento? Nottebohm credeva che fosse perché i neuroni freschi aiutavano a memorizzare nuovi modelli di canto all’interno dei circuiti neurali del proencefalo, l’area del cervello che controlla i comportamenti complessi. Questi nuovi neuroni rendevano possibile l’apprendimento. Se gli uccelli hanno creato nuovi neuroni per aiutarli a ricordare e imparare, Nottebohm ha pensato che anche i cervelli dei mammiferi potrebbero farlo.
Altri scienziati credevano che queste scoperte non potessero applicarsi ai mammiferi, ma Elizabeth Gould più tardi trovò prove di neuroni appena nati in un’area distinta del cervello nelle scimmie, e Fred Gage e Peter Eriksson dimostrarono che il cervello umano adulto produceva nuovi neuroni in un’area simile.
Per alcuni neuroscienziati, la neurogenesi nel cervello adulto è ancora una teoria non provata. Ma altri pensano che la prova offra possibilità intriganti sul ruolo dei neuroni generati dagli adulti nell’apprendimento e nella memoria.
L’architettura del neurone
Il sistema nervoso centrale (che comprende il cervello e il midollo spinale) è costituito da due tipi fondamentali di cellule: neuroni (1) e glia (4) & (6). La glia supera i neuroni in alcune parti del cervello, ma i neuroni sono i protagonisti del cervello.
I neuroni sono messaggeri di informazioni. Usano impulsi elettrici e segnali chimici per trasmettere informazioni tra diverse aree del cervello e tra il cervello e il resto del sistema nervoso. Tutto ciò che pensiamo, sentiamo e facciamo sarebbe impossibile senza il lavoro dei neuroni e delle loro cellule di supporto, le cellule gliali chiamate astrociti (4) e oligodendrociti (6).
I neuroni hanno tre parti fondamentali: un corpo cellulare e due estensioni chiamate assone (5) e dendrite (3). All’interno del corpo cellulare c’è un nucleo (2), che controlla le attività della cellula e contiene il materiale genetico della cellula. L’assone ha l’aspetto di una lunga coda e trasmette i messaggi della cellula. I dendriti assomigliano ai rami di un albero e ricevono messaggi per la cellula. I neuroni comunicano tra loro inviando sostanze chimiche, chiamate neurotrasmettitori, attraverso un piccolo spazio, chiamato sinapsi, tra gli assoni e i dendriti dei neuroni adiacenti.
Ci sono tre classi di neuroni:
- I neuroni sensoriali portano informazioni dagli organi di senso (come occhi e orecchie) al cervello.
- I neuroni motori controllano l’attività muscolare volontaria come parlare e portano messaggi dalle cellule nervose del cervello ai muscoli.
- Tutti gli altri neuroni sono chiamati interneuroni.
Gli scienziati pensano che i neuroni siano il più diverso tipo di cellule del corpo. All’interno di queste tre classi di neuroni ci sono centinaia di tipi diversi, ognuno con specifiche capacità di portare messaggi.
Il modo in cui questi neuroni comunicano tra loro creando connessioni è ciò che rende ciascuno di noi unico nel modo in cui pensiamo, sentiamo e agiamo.
Nascita
La misura in cui vengono generati nuovi neuroni nel cervello è un argomento controverso tra i neuroscienziati. Anche se la maggior parte dei neuroni sono già presenti nel nostro cervello al momento della nascita, ci sono prove a sostegno del fatto che la neurogenesi (la parola scientifica per la nascita dei neuroni) è un processo che dura tutta la vita.
I neuroni nascono in aree del cervello che sono ricche di concentrazioni di cellule precursori neurali (chiamate anche cellule staminali neurali). Queste cellule hanno il potenziale per generare la maggior parte, se non tutti, i diversi tipi di neuroni e glia che si trovano nel cervello.
Gli neuroscienziati hanno osservato come si comportano le cellule precursori neurali in laboratorio. Anche se questo potrebbe non essere esattamente il modo in cui queste cellule si comportano quando sono nel cervello, ci dà informazioni su come potrebbero comportarsi quando sono nell’ambiente del cervello.
La scienza delle cellule staminali è ancora molto nuova, e potrebbe cambiare con ulteriori scoperte, ma i ricercatori hanno imparato abbastanza per essere in grado di descrivere come le cellule staminali neurali generano le altre cellule del cervello. Lo chiamano lignaggio di una cellula staminale ed è simile in linea di principio a un albero genealogico.
Le cellule staminali neurali aumentano dividendosi in due e producendo o due nuove cellule staminali, o due cellule progenitrici precoci, o una di entrambe.
Quando una cellula staminale si divide per produrre un’altra cellula staminale, si dice che si autorinnova. Questa nuova cellula ha il potenziale per produrre altre cellule staminali.
Quando una cellula staminale si divide per produrre una cellula progenitrice precoce, si dice che si differenzia. Differenziazione significa che la nuova cellula è più specializzata nella forma e nella funzione. Una cellula progenitrice precoce non ha il potenziale di una cellula staminale di produrre molti tipi diversi di cellule. Può fare solo cellule del suo particolare lignaggio.
Le cellule progenitrici precoci possono autorinnovarsi o andare in uno dei due modi. Un tipo darà origine agli astrociti. L’altro tipo produrrà alla fine neuroni o oligodendrociti.
Migrazione
Una volta che un neurone è nato deve viaggiare verso il luogo del cervello dove svolgerà il suo lavoro.
Come fa un neurone a sapere dove andare? Cosa lo aiuta ad arrivarci?
Gli scienziati hanno visto che i neuroni usano almeno due metodi diversi per viaggiare:
- Alcuni neuroni migrano seguendo le lunghe fibre delle cellule chiamate glia radiali. Queste fibre si estendono dagli strati interni a quelli esterni del cervello. I neuroni scivolano lungo le fibre fino a raggiungere la loro destinazione.
- I neuroni viaggiano anche usando segnali chimici. Gli scienziati hanno trovato molecole speciali sulla superficie dei neuroni – molecole di adesione – che si legano con molecole simili sulle cellule gliali vicine o sugli assoni nervosi. Questi segnali chimici guidano il neurone alla sua posizione finale.
Non tutti i neuroni hanno successo nel loro viaggio. Gli scienziati pensano che solo un terzo raggiunga la sua destinazione. Alcune cellule muoiono durante il processo di sviluppo neuronale.
Alcuni neuroni sopravvivono al viaggio, ma finiscono dove non dovrebbero essere. Le mutazioni nei geni che controllano la migrazione creano aree di neuroni mal posizionati o formati in modo strano che possono causare disturbi come l’epilessia infantile. Alcuni ricercatori sospettano che la schizofrenia e il disturbo dell’apprendimento dislessia siano in parte il risultato di neuroni mal guidati.
Differenziazione
Una volta che un neurone raggiunge la sua destinazione, deve sistemarsi per lavorare. Questa fase finale della differenziazione è la parte meno compresa della neurogenesi.
I neuroni sono responsabili del trasporto e dell’assorbimento dei neurotrasmettitori – sostanze chimiche che trasmettono informazioni tra le cellule del cervello.
A seconda della sua posizione, un neurone può svolgere il lavoro di un neurone sensoriale, un neurone motore o un interneurone, inviando e ricevendo neurotrasmettitori specifici.
Nel cervello in via di sviluppo, un neurone dipende dai segnali molecolari di altre cellule, come gli astrociti, per determinare la sua forma e posizione, il tipo di trasmettitore che produce e a quali altri neuroni si collegherà. Queste cellule appena nate stabiliscono circuiti neurali – o percorsi di informazione che collegano neurone a neurone – che saranno in atto per tutta l’età adulta.
Ma nel cervello adulto, i circuiti neurali sono già sviluppati e i neuroni devono trovare un modo per inserirsi. Quando un nuovo neurone si installa, comincia ad assomigliare alle cellule circostanti. Sviluppa un assone e dei dendriti e comincia a comunicare con i suoi vicini.
La morte
Anche se i neuroni sono le cellule più longeve del corpo, un gran numero di essi muore durante la migrazione e la differenziazione.
La vita di alcuni neuroni può prendere pieghe anomale. Alcune malattie del cervello sono il risultato della morte innaturale dei neuroni.
– Nella malattia di Parkinson, i neuroni che producono il neurotrasmettitore dopamina muoiono nei gangli della base, un’area del cervello che controlla i movimenti del corpo. Questo causa la difficoltà di iniziare il movimento.
– Nella malattia di Huntington, una mutazione genetica causa la sovrapproduzione di un neurotrasmettitore chiamato glutammato, che uccide i neuroni nei gangli della base. Come risultato, le persone si torcono e si contorcono in modo incontrollato.
– Nella malattia di Alzheimer, proteine insolite si accumulano nei neuroni della neocorteccia e dell’ippocampo, parti del cervello che controllano la memoria. Quando questi neuroni muoiono, le persone perdono la loro capacità di ricordare e l’abilità di svolgere i compiti quotidiani. Danni fisici al cervello e ad altre parti del sistema nervoso centrale possono anche uccidere o disabilitare i neuroni.
– I colpi al cervello, o i danni causati da un ictus, possono uccidere i neuroni completamente o lentamente affamarli dell’ossigeno e delle sostanze nutritive di cui hanno bisogno per sopravvivere.
– Le lesioni al midollo spinale possono interrompere la comunicazione tra il cervello e i muscoli quando i neuroni perdono la loro connessione con gli assoni situati sotto il sito della lesione. Questi neuroni possono ancora vivere, ma perdono la loro capacità di comunicare.
Speranza attraverso la ricerca
Gli scienziati sperano che capendo di più sulla vita e la morte dei neuroni possano sviluppare nuovi trattamenti, e forse anche cure, per le malattie e i disturbi del cervello che colpiscono la vita di milioni di americani.
La ricerca più recente suggerisce che le cellule staminali neurali possono generare molti, se non tutti, i diversi tipi di neuroni che si trovano nel cervello e nel sistema nervoso. Imparare a manipolare queste cellule staminali in laboratorio in specifici tipi di neuroni potrebbe produrre una nuova fornitura di cellule cerebrali per sostituire quelle che sono morte o sono state danneggiate.
Si potrebbero anche creare terapie per sfruttare i fattori di crescita e altri meccanismi di segnalazione all’interno del cervello che dicono alle cellule precursori di fare nuovi neuroni. Questo renderebbe possibile riparare, rimodellare e rinnovare il cervello dall’interno.
Per informazioni su altri disturbi neurologici o programmi di ricerca finanziati dal National Institute of Neurological Disorders and Stroke, contattare l’Istituto Brain Resources and Information Network (BRAIN) a:
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