Osservare il comportamento delle cellule cerebrali durante l'apprendimento
Una nuova tecnica studia l'attività delle cellule nervose viventi
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I ricercatori dell'Istituto di Fisiologia Carl Ludwig dell'Università di Lipsia, in collaborazione con la Johns Hopkins University negli Stati Uniti, hanno raggiunto un importante traguardo nella ricerca sul cervello. La cosiddetta tecnica "zap-and-freeze", che consente di visualizzare i processi di trasmissione del segnale tra le cellule nervose nell'arco di millisecondi, è stata applicata con successo per la prima volta a fette di cervello acuto di topi e di esseri umani. Ciò consentirà in futuro di studiare come le cellule nervose adattano la loro trasmissione di segnali mentre sono attive - in altre parole, come cambiano il rilascio di neurotrasmettitori e la plasticità dei processi delle cellule nervose, le cosiddette sinapsi, durante l'apprendimento. I risultati sono stati pubblicati sulla famosa rivista scientifica Neuron.
Con la tecnica dello "zap-and-freeze", le cellule nervose vengono stimolate elettricamente e poi rapidamente congelate pochi millisecondi dopo. Questo metodo consente di catturare i movimenti dei componenti cellulari per osservarli al microscopio elettronico. In uno studio appena pubblicato, un team di ricerca internazionale guidato dall'Istituto Carl Ludwig di Fisiologia dell'Università di Lipsia ha dimostrato che questa nuova tecnica funziona anche nel tessuto cerebrale intatto di topi ed esseri umani.
I ricercatori hanno inizialmente esaminato campioni di cervello di topi. Utilizzando il metodo zap-and-freeze, hanno stimolato le cellule nervose e osservato come le piccole vescicole - minuscole sacche legate alla membrana - vengono riciclate per la comunicazione neuronale dopo aver rilasciato i neurotrasmettitori. Nel cervello sano, le vescicole sinaptiche aiutano a trasmettere le informazioni da una cellula all'altra, un processo fondamentale per l'elaborazione delle informazioni, l'apprendimento e la formazione della memoria.
I ricercatori hanno poi applicato lo stesso metodo al tessuto cerebrale umano e hanno scoperto che il processo avviene nello stesso modo. In entrambi i casi, hanno identificato la proteina Dynamin1xA nei siti in cui le vescicole vengono riciclate. Ciò dimostra che il meccanismo sottostante funziona essenzialmente allo stesso modo nei topi e negli esseri umani. "Di conseguenza, per la prima volta abbiamo potuto osservare direttamente come la membrana cellulare del cervello umano si rinnova rapidamente dopo il rilascio di neurotrasmettitori. Con questo metodo possiamo, in un certo senso, osservare le cellule cerebrali mentre imparano. Ciò conferma la grande importanza degli organismi modello per la ricerca di base nelle neuroscienze", afferma la dott.ssa Kristina Lippmann dell'Istituto di Fisiologia Carl Ludwig dell'Università di Lipsia, autrice corrispondente dello studio.
Una base per ulteriori ricerche
Le competenze in microscopia a due fotoni e in elettrofisiologia dell'Istituto Carl Ludwig hanno svolto un ruolo cruciale nello studio. I ricercatori di Lipsia hanno adattato il metodo zap-and-freeze per utilizzarlo con le fette di cervello. Tra le altre scoperte, la dottoressa Lippmann e il suo team hanno scoperto che la tecnica è ideale per la stimolazione mirata delle fibre nervose allineate con il campo elettrico, come le fibre parallele del cervelletto. I ricercatori hanno anche dimostrato che questo approccio può indurre la plasticità presinaptica a breve termine, un meccanismo chiave alla base dei processi di apprendimento nel cervello.
In futuro, la tecnica "zap-and-freeze" sarà utilizzata per studiare in modo più approfondito i meccanismi della plasticità presinaptica a breve termine nella corteccia cerebellare. Questa regione svolge un ruolo centrale nel controllo motorio e fornisce indicazioni sul funzionamento del cervello dell'apprendimento, dallo sviluppo ai cambiamenti legati all'età e alla patologia.
Lo studio attuale si basa su una precedente pubblicazione su Nature Neuroscience, in cui il metodo zap-and-freeze è stato testato per la prima volta su cellule nervose in coltura. La collaborazione tra l'Università di Lipsia e la rinomata Johns Hopkins University è iniziata durante un soggiorno di ricerca della dott.ssa Kristina Lippmann negli Stati Uniti, dove ha incontrato il professor Shigeki Watanabe, uno degli sviluppatori della tecnica zap-and-freeze.
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