Troppe connessioni sinaptiche nel cervelletto creano problemi

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Un nuovo studio sui detrimenti di troppe connessioni sinaptiche nel cervelletto del topo da parte dei neuroscienziati della Scuola di Medicina dell'Università di Washington a St. Louis corrobora la precedente ricerca umana sui disturbi dello spettro autistico (ASD) e sul cervelletto. I ricercatori hanno scoperto che i topi con geni associati all'autismo che avevano troppe sinapsi cerebellari avevano anche una tremenda difficoltà nell'apprendere nuove capacità motorie. ( Cerebellar è la parola sorella per cerebrale e significa "relativo o localizzato nel cervelletto").

Gli scienziati della Washington University ipotizzano che avere troppe connessioni sinaptiche cerebellari interrompa la comunicazione all'interno del cervelletto, che potrebbe essere alla base dell'autismo. Questi risultati sono stati pubblicati online, il 2 novembre, sulla rivista Nature Communications .

Per questo studio, i ricercatori si sono concentrati su un gene specifico associato all'autismo chiamato "ubiquitina RNF8" che regola il numero di connessioni sinaptiche nel cervelletto. Giovani topi senza il gene RNF8 svilupparono troppe connessioni sinaptiche nel cervelletto. Nel corso del tempo, i ricercatori hanno condotto una serie di esperimenti di apprendimento su questi topi rispetto ad altri topi con il gene RNF8.

Il cervelletto è responsabile della regolazione fine del controllo motorio e dell'equilibrio. In particolare, i topi giovani con e senza il gene cerebellare RNF8 non mostravano problemi evidenti con i loro movimenti regolari: mentre si muovevano furtivamente intorno alle loro gabbie, tutti i topi sembravano essere coordinati.

Tuttavia, in una scoperta sorprendente, quando i ricercatori hanno testato in modo specifico la capacità di tutti i topi di apprendere nuove abilità motorie – come un battito di ciglia o eseguire un atto di equilibrio su un cilindro rotolante – i topi senza il gene RNF8 e troppi le connessioni sinaptiche divennero discombobolate e fallirono miseramente. D'altro canto, i topi con il gene RNF8 e un minor numero di connessioni sinaptiche nel cervelletto hanno rapidamente padroneggiato queste nuove capacità motorie.

In una dichiarazione, l'autore senior Azad Bonni, che dirige il Dipartimento di Neuroscienze della Scuola di Medicina dell'Università di Washington a St. Louis e direttore del Bonni Lab, ha dichiarato:

"Questo studio solleva la possibilità che ci possano essere troppe sinapsi nel cervello di pazienti con autismo. Potresti pensare che avere più sinapsi farebbe funzionare meglio il cervello, ma non sembra essere così. Un numero maggiore di sinapsi crea problemi di comunicazione tra i neuroni del cervello in via di sviluppo che si correla con le menomazioni dell'apprendimento, anche se non sappiamo come. "

Sebbene il nesso causale tra il cervelletto e l'autismo rimanga enigmatico, innumerevoli altri studi sull'uomo e sugli animali hanno correlato la connettività funzionale atipica e le anomalie strutturali del cervelletto con l'autismo.

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Cervelletto (in latino per "piccolo cervello") in rosso.
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Fino a poco tempo fa, la maggior parte degli esperti di medicina riteneva che il cervelletto fosse coinvolto solo nel mettere a punto le capacità motorie, mantenere l'equilibrio e la memoria muscolare necessaria per fare cose come andare in bicicletta. Tuttavia, vi sono prove crescenti del fatto che il cervelletto può aiutare a sintonizzare i nostri pensieri e le nostre emozioni nello stesso modo in cui perfeziona i nostri movimenti motori come sostiene Jeremy Schmahmann della Harvard Medical School nella sua ipotesi di "Dysmetria del Pensiero".

Il darwinismo neurale e la potatura delle sinapsi sono la chiave della neuroplasticità

Durante lo sviluppo infantile precoce, l'impalcatura viene collocata all'interno e tra le varie regioni dell'intero cervello, che comprende entrambi gli emisferi del cervelletto (in latino "piccolo cervello") ed entrambi gli emisferi del cervello (in latino "cervello"). Ciò crea una base strutturale per le future reti neurali che saranno potate attraverso il darwinismo neurale o fortificate attraverso un processo sinaptico di "fuoco e filo". Idealmente, il cervello elimina le connessioni sinaptiche ridondanti per ridurre il disordine e ottimizzare la funzione cerebrale, ottimizzando la fluidità del pensiero e del movimento.

L'ipotesi comune che avere più accensione delle sinapsi implica sempre una migliore funzionalità cerebrale è una neuromiografia. Infatti, come accennato in precedenza, avere troppe connessioni neurali e formazioni sinaptiche sembra ostacolare l'apprendimento motorio, mentre la diminuzione dell'attività neurale quando si padroneggia una nuova abilità è correlata all'apprendimento più veloce.

Santiago Ramón y Cajal/Public Domain
Disegno di neuroni di Purkinje nel cervelletto di Santiago Ramón y Cajal intorno al 1899.
Fonte: Santiago Ramón y Cajal / Dominio Pubblico

Nel 2014, uno studio del Medical Center dell'Università di Chicago ha rilevato che un malfunzionamento del processo di potatura delle cellule di Purkinje all'interno del cervelletto era correlato a una ridotta capacità di apprendimento motorio nei topi giovani. Usando un modello di topo autistico, i ricercatori hanno evidenziato che la capacità delle cellule di Purkinje di deprimere la connettività sinaptica era notevolmente ridotta nei disturbi di tipo autistico. Le cellule di Purkinje rafforzano o deprimono l'efficacia delle loro sinapsi. L'inibizione delle cellule di Purkinje è la chiave per padroneggiare abilità motorie complesse e precise come suonare uno strumento musicale, servire una pallina da tennis, toccare digitando senza guardare la tastiera, ecc.

È interessante notare che l'iperattività delle cellule di Purkinje sia nei topi che nell'uomo è legata a una potatura sinaptica compromessa nel cervelletto. I ricercatori di UChicago hanno anche concluso che troppa connettività sinaptica ostacolava la capacità del cervelletto di perfezionare automaticamente i movimenti muscolari necessari per un apprendimento motorio fluido e coordinato.

In una dichiarazione, l'autore senior dello studio Christian Hansel, professore di neurobiologia all'Università di Chicago e fondatore del Hansel Lab, ha dichiarato:

"Abbiamo identificato anomalie sinaptiche che possono giocare un ruolo nei problemi motori tipicamente osservati nei bambini con autismo. L'autismo è talvolta descritto come un'intensa sindrome del mondo: troppe, eccitanti connessioni eccitatorie che portano ad un aumento dell'input sensoriale. I risultati del nostro studio potrebbero far luce su questo fenomeno. La potatura sinaptica inefficiente sembra essere un motivo comune nell'autismo. "

Sulla stessa linea, in uno studio del 2015, i neuroscienziati cognitivi della San Diego State University (SDSU) hanno identificato che la connettività funzionale tra cervelletto e corteccia motoria cerebrale era "superaccessoriata" in bambini e adolescenti con disturbi dello spettro autistico.

SDSU Marketing and Communications
L'iperconnettività o la sottocorrelazione tra specifiche regioni del cervelletto e della corteccia cerebrale è associata a disturbi dello spettro autistico nei bambini e negli adolescenti.
Fonte: SDSU Marketing e comunicazioni

I ricercatori della SDSU hanno anche scoperto che l'eccessiva connettività tra le regioni sensorimotorie del cervelletto e il cervello ha interrotto l'apprendimento e la cognizione. Sembra che le linee di comunicazione neurale nei bambini con ASD potrebbero essere monopolizzate da connessioni sensomotorie prima che la connettività cognitiva funzionale di ordine superiore abbia la possibilità di integrarsi con altre reti di comunicazione nell'intero cervello.

Questi sono tempi entusiasmanti per la ricerca sul cervelletto. La tecnologia all'avanguardia sta iniziando ad aiutare i neuroscienziati a decifrare il misterioso ruolo che il cervelletto svolge nella funzione cerebrale, nell'apprendimento motorio e nella cognizione. Detto questo, sono necessarie molte più ricerche prima di capire veramente come le connessioni sinaptiche cerebellari influenzino i disturbi dello spettro autistico e facilitino l'apprendimento. Si prega di rimanere sintonizzati per ulteriori ricerche empiriche all'avanguardia sul cervelletto.

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