Molecola in Cerebellum Spurs. Vincitori e perdenti della cellula cerebrale

Progranulina da cellule di Purkinje contrasta il processo di potatura nel cervelletto.

Progranulina derivata da cellule di Purkinje (PC) contrasta l’eliminazione della sinapsi e rafforza la fibra rampicante più forte (vincitore) (CF). Il progranulina agisce sullo sviluppo delle sinapsi CF dal giorno 11 al giorno 16 postnatale indipendentemente da Semaphorin3A, un’altra molecola di segnalazione retrograda che contrasta l’eliminazione della sinapsi CF. Progranulina derivata da PC agisce retrogradamente sul suo recettore putativo Sort1 su CF. I Loser CFs sono mantenuti dal segnale di Sortina progranulina e dal segnale Semaphorin3A-PlexinA4, ma alla fine vengono eliminati da “segnali di eliminazione” come Semaphorin7A e il fattore neurotrofico derivato dal cervello (BDNF).

Fonte: 2018 Masanobu Kano.

Per la prima volta, scienziati dell’Università di Tokyo hanno identificato che una molecola derivata dalle cellule di Purkinje nel cervelletto chiamata “progranulina” rinforza la fibra rampicante più forte (“vincitrice”) e contrasta l’eliminazione delle sinapsi che normalmente si verificano nel cervello dopo nascita. Sebbene questo studio sia stato condotto su topi, i ricercatori ipotizzano che la disfunzione da progranulina possa causare la “auscultazione” atipica delle fibre nervose e delle connessioni che sono alla base di vari disturbi neurologici nell’uomo, che vanno dall’autismo alla demenza frontotemporale. I risultati sono stati pubblicati il ​​1 ° febbraio 2018 nella rivista Neuron.

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Durante lo sviluppo iniziale tipico, ciascuna cella di Purkinje è collegata a più fibre rampicanti. Man mano che il cervelletto sano matura, gli input sinaptici vengono generalmente eliminati, finché non c’è un solo input di fibra rampicante per cella di Purkinje. Sia l’eliminazione delle sinapsi ridondanti che la fortificazione di importanti sinapsi sono fondamentali per ottimizzare i nostri circuiti neurali sia nella vita che nello sport.

Sfortunatamente, alcune mutazioni genetiche e fattori ambientali possono disturbare la potatura e la plasticità delle cellule di Purkinje, che possono causare troppe connessioni sinaptiche o non abbastanza. Essere alle due estremità di questi estremi può provocare una miriade di disturbi neurologici e neuropsichiatrici.

Se il tipico processo di potatura neurale viene interrotto – e le funzioni cerebellari non diventano più snelle – le celle di Purkinje possono facilmente cortocircuitare da troppo rumore di fondo e sovraccarico di informazioni. Questo aiuta a spiegare perché la disfunzione delle cellule di Purkinje è alla radice di molti sintomi osservati nel disturbo dello spettro autistico. (Per ulteriori informazioni, vedi “Autismo, cellule di Purkinje e cervelletto sono intrecciati”).

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Idealmente, ciascuna fibra rampicante fornisce un input robusto ed eccitatorio al cervelletto, che innesca un potente picco eccitatorio di potenziale postsinaptico (EPSP) nella corrispondente cellula di Purkinje. Questa dinamica rende la partnership di fibre rampicanti e cellule di Purkinje centrali per mettere a punto e coordinare i movimenti muscolari utilizzati nelle attività quotidiane, mentre si suona uno strumento musicale, serve una pallina da tennis, ecc.

Oltre al coordinamento delle abilità motorie, vi è una crescente quantità di prove che dimostrano che i sistemi di fibre rampicanti afferenti svolgono un ruolo chiave nell’elaborazione sensoriale e nei compiti cognitivi che spesso funzionano indipendentemente dalla consapevolezza cosciente. (Per ulteriori informazioni, vedi “In che modo il cervello padroneggia inconsciamente le abilità automatizzate?”)

Usando un modello di topo del cervelletto progettato senza progranulina, Masanobu Kano e il suo team di Kano Laboratory hanno identificato che le fibre rampicanti venivano eliminate più rapidamente in assenza di questa molecola (come mostrato nei diagrammi sopra).

“Tra le molteplici fibre rampicanti che innervano ciascuna cellula del Purkinje nel cervelletto neonatale, una singola fibra rampicante viene rafforzata e mantenuta per tutta la vita di un animale, mentre le altre fibre rampicanti sono indebolite e infine eliminate”, ha detto Kano in una nota. “Il nostro obiettivo era identificare una nuova molecola coinvolta nel rafforzamento e nel mantenimento dei singoli input di fibra rampicante”.

Il principio alla base della neuroplasticità si basa su un tipo “usalo o perdi” di “neuro-darwinismo” che rafforza o indebolisce le connessioni sinaptiche in base alla finalità di ciascuna connessione. Proprio come coltivare un albero bonsai richiede una potatura costante per reindirizzare i nutrienti per fortificare certi rami, le connessioni neurali vengono potate o nutriti attraverso complessi meccanismi molecolari che rafforzano o neutralizzano la crescita.

Cervelletto (in latino per “piccolo cervello” o “piccolo cervello”) in rosso. “Cerebellar” è la parola sorella di “cerebrale” e significa “relativo o localizzato nel cervelletto”.

Fonte: Wikipedia / Database delle scienze della vita

Quali sono le origini del darwinismo neurale e il concetto di potatura neurale?

Uno dei pionieri originali del darwinismo neurale fu il ricercatore Gerald Edelman, vincitore del premio Nobel. Nel 1978, Edelman è coautore di un libro fondamentale, The Mindful Brain: Cortical Organization e la Group-selective Theory of Higher Brain Function (MIT Press) con Vernon B. Mountcastle della Johns Hopkins School of Medicine, che molti considerano il “Padre di Neuroscienza.”

La teoria della “selezione dei gruppi neuronali” ha tre componenti principali:

1. Selezione dello sviluppo: la connettività funzionale anatomica all’interno del cervello è un evento “meccanochimico” selettivo che si verifica a livello epigenetico durante lo sviluppo iniziale.

2. Selezione esperienziale: le esperienze comportamentali postnatali rafforzano o indeboliscono le connessioni sinaptiche tra i gruppi neuronali.

3. Rientro: nel tempo, vari gradi di amplificazione da un “coro neuronale” facilitano l’accuratezza spaziotemporale in risposta alle interazioni del mondo reale.

L’aspetto “fan cinese” delle cellule di Purkinje li rende altamente distintivi

Le cellule di Purkinje (che sono i neuroni più grandi e distintivi del cervello umano) prendono il nome da Johannes Purkinje. Identificò per la prima volta questi unici neuroni cinesi a forma di ventaglio e le loro fibre nel 1837. Il Dott. Purkinje fu anche la prima persona ad identificare che ogni essere umano ha impronte digitali uniche. Aveva un debole per smascherare cose apparentemente ovvie che tutti gli altri tendevano a trascurare.

Disegno di cellule di Purkinje (A) e cellule granulari (B) dal cervelletto dei piccioni di Santiago Ramón y Cajal. Questa illustrazione è ristampata a p. 120 di “The Athlete’s Way: Sweat and the Biology of Bliss” (St. Martin’s Press) in una sezione sottotitolata: “Purkinje Cells: The Key to Muscle Memory”.

Fonte: Santiago Ramón y Cajal, 1899. Instituto Santiago Ramón y Cajal, Madrid, Spagna

Attraverso la lente dello sport e il picco delle prestazioni fisiche, è importante che gli atleti siano consapevoli del ruolo fondamentale che le cellule di Purkinje e il cervelletto svolgono nel padroneggiare le capacità motorie e la memoria muscolare implicite con precisione.

Ipotesi di “Dysmetria del Pensiero” di Schmahmann: un cambio di gioco cerebrale

Storicamente, la maggior parte degli esperti riteneva che le cellule del cervelletto e del Purkinje non avessero un ruolo nei processi cerebrali non motorio. Detto questo, questa errata percezione superata del nostro “cervello piccolo” e delle cellule di Purkinje si sta rapidamente evolvendo.

C’è una quantità crescente di prove del 21 ° secolo per sostenere l’innovativa ipotesi di “Dysmetria of Thought” di Jeremy Schmahmann (1998), che postula che specifiche regioni del cervelletto perfezionano e coordinano il nostro modo di pensare allo stesso modo in cui altre regioni del mondo. il cervelletto metterà a punto e coordinerà i movimenti muscolari.

Schmahmann è un professore di neurologia presso il Massachusetts General Hospital della Harvard Medical School e un visionario leader di pensiero sull’atassia e il cervelletto. Il motto della sua Fondazione MINDlink è “Connettere il cervelletto alle cure”.

“Sindrome di Schmahmann” (noto anche come “Sindrome affettiva cognitiva cerebellare” o CCAS) si riferisce ai deficit nei domini cognitivi della funzione esecutiva, della cognizione spaziale, del linguaggio e del comportamento che derivano dal danno al cervelletto.

L’ultima scoperta su cellule di Purkinje, progranulina e darwinismo neurale di Kano et al. è significativo, perché i ricercatori hanno individuato una molecola specifica che può rinforzare o contrastare i “vincitori” e i “perdenti” delle fibre rampicanti durante il processo di potatura del cervelletto.

“I nostri risultati forniscono una nuova visione dei ruoli della progranulina nel cervello in via di sviluppo”, ha affermato Kano. “Continueremo a cercare le molecole coinvolte nell’eliminazione delle sinapsi nel cervelletto in via di sviluppo e, in definitiva, vogliamo chiarire l’intera cascata di segnali per l’eliminazione delle sinapsi”.

Le ricerche future di Masanobu Kano e del suo team si concentreranno su come manipolare efficacemente la molecola di progranulina. Sebbene le cellule del cervelletto e del Purkinje rimangano un mistero, i ricercatori del Kano Lab sono ottimisti sul fatto che un giorno interventi che influenzano la segnalazione della progranulina potrebbero aiutare a trattare un’ampia gamma di disturbi neurologici e neuropsichiatrici.

Riferimenti

Naofumi Uesaka, Manabu Abe, Kohtarou Konno, Maya Yamazaki, Kazuto Sakoori, Takaki Watanabe, Tzu-Huei Kao, Takayasu Mikuni, Masahiko Watanabe, Kenji Sakimura e Masanobu Kano. “La segnalazione retrograda da Progranulina a Sort1 contrasta l’eliminazione della sinapsi nel cervelletto in via di sviluppo.” (Pubblicazione: 1 febbraio 2018) Neuron DOI: 10.1016 / j.neuron.2018.01.018

Jeremy D. Schmahmann e Janet C. Sherman. “La sindrome affettiva cognitiva cerebellare.” Cervello: un diario di neurologia (1998) DOI: 10.1093 / cervello / 121.4.561

Schmahmann, Jeremy D. “Dysmetria del pensiero: conseguenze cliniche della disfunzione cerebellare sulla cognizione e l’affetto”. Tendenze nelle scienze cognitive (1998) DOI: 10.1016 / S1364-6613 (98) 01218-2