Un’immaginografia potente e a super risoluzione potrebbe svelare lo «schema dei collegamenti elettrici» dei neuroni della memoria cerebrale su nanoscala
Il cervello è la componente più sofisticata del corpo umano: contiene circa 100 miliardi di neuroni, equivalenti al numero delle stelle presenti nella Via Lattea, e un quadrilione di connessioni sinaptiche, che formano la gigantesca rete in grado di conferirci coscienza.
Osservare strutture ad albero
Il modo in cui i nostri ricordi emergono da questo sciame di neuroni rimane un mistero. L’ippocampo è una regione molto profonda del cervello dei mammiferi ed è stato a lungo considerato il centro archetipale della formazione della memoria. L’obiettivo del progetto IVSTED, finanziato dall’UE, consisteva nell’indagare le connessioni tra i neuroni dell’ippocampo in vivo mantenendo al contempo una risoluzione spaziale subcellulare. I neuroni dell’ippocampo elaborano le informazioni attivando una miriade di input sinaptici attraverso le spine dendritiche. I ricercatori si sono concentrati sui cambiamenti dinamici di questi piccoli compartimenti neuronali, i cui mutamenti nella struttura spinale, noti come plasticità strutturale, consentono alle sinapsi di modulare la loro forza di connessione. «Le spine dendritiche sono estremamente dinamiche e la loro plasticità (o forza sinaptica) è ora considerata un importante correlato strutturale della traccia mnemonica», spiega Stéphane Bancelin, coordinatore del progetto IVSTED. Tuttavia, date le loro dimensioni nanometriche e l’elevata densità, è estremamente impegnativo studiarle a livello sperimentale e rivelare la loro struttura fine in un ambiente realistico.
Una risoluzione spaziale senza precedenti
Il progetto ha sviluppato un microscopio dotato di una risoluzione spaziale sufficiente a osservare i minimi dettagli delle spine dendritiche, e, ancor più importante, che è stato applicato al monitoraggio in vivo delle sinapsi nel cervello di un topo anestetizzato. Fino ad ora, la microscopia ottica convenzionale non è riuscita a offrire una risoluzione adeguata dei minimi dettagli morfologici di queste strutture post-sinaptiche, mentre la microscopia elettronica ha fornito solo istantanee di sezioni cerebrali fisse. Ciò ha limitato la visuale dei neuroscenziati sulle dinamiche spinali e la loro comprensione dei meccanismi sinaptici alla base della fisiologia e del comportamento cerebrali. I ricercatori del progetto IVSTED hanno sfruttato il potenziale della microscopia STED (STimulated Emission Depletion, ovvero a deplezione di emissione stimolata), una tecnica a super risoluzione che supera il limite di diffrazione per aumentare la risoluzione. Per un’ispezione dei tessuti più approfondita, si sono inoltre avvalsi della modulazione della luce spaziale, una tecnologia ottica adattiva che consente la modellizzazione a livello spaziale del fascio di luce per eliminare le distorsioni (aberrazioni) indotte dal tessuto a grandi profondità. «Per la prima volta, siamo riusciti a visualizzare strutture post-sinaptiche nell’ippocampo di un animale vivo, con una risoluzione spaziale inferiore a 50 nm», osserva Bancelin.
Una memoria stabile con sinapsi instabili
I ricercatori hanno esaminato non solo la morfologia su nanoscala delle spine dendritiche, ma anche il loro ricambio, ovvero la formazione e la cessazione di queste strutture post-sinaptiche transitorie. «Abbiamo notato un ricambio sinaptico estremamente elevato: in quattro giorni è stato sostituito circa il 40 % delle spine dendritiche osservate. Le nostre osservazioni sono in linea con un recente studio, il cui contenuto ha rivelato che la natura fugace dell’ippocampo dei mammiferi riflette la dinamica di ricambio delle sue sinapsi», osserva Bancelin. Il conseguente interrogativo è se esista una popolazione stabile di sinapsi nell’ippocampo. I ricercatori sono desiderosi di proseguire il lavoro su questo ricablaggio sinaptico, per svelare il modo in cui il cervello risponde alle mutevoli condizioni comportamentali e forma nuovi ricordi. Il progetto IVSTED ha già aperto nuove strade per l’indagine sui meccanismi strutturali della formazione della memoria. «Comprendere il funzionamento e l’anatomia delle intricate reti cerebrali potrebbe fornire indizi sui meccanismi cellulari alla base dei disturbi neurologici. Ad esempio, numerosi studi suggeriscono che la perdita di memoria e altri deficit cognitivi del morbo di Alzheimer siano dovuti principalmente a sinapsi compromesse», conclude Bancelin.
Parole chiave
IVSTED, spine dendritiche, formazione della memoria, strutture post-sinaptiche, imaging a super risoluzione, microscopia STED, ottica adattiva, ippocampo, sinapsi
