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La ricerca identifica il "controllo del volume" nel cervello che supporta l'apprendimento e la memoria

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La scoperta potrebbe aiutare il trattamento dei disturbi neurologici

La ricerca identifica il controllo del volume nel cervello che supporta lapprendimento e la memoria
Una "manopola del volume molecolare" che regola i segnali elettrici nel cervello aiuta con l'apprendimento e la memoria, secondo uno studio di Dartmouth.

Il sistema molecolare controlla l'ampiezza dei segnali elettrici che fluiscono attraverso le sinapsi tra i neuroni.

La scoperta del meccanismo di controllo e l'identificazione della molecola che lo regola, potrebbero aiutare i ricercatori nella loro ricerca di modi per gestire i disturbi neurologici, tra cui il morbo di Alzheimer, il morbo di Parkinson e l'epilessia.

La ricerca, pubblicata su Proceedings of the National Academy of Sciences, descrive il primo studio su come le forme dei segnali elettrici contribuiscono al funzionamento delle sinapsi.

"Le sinapsi del nostro cervello sono altamente dinamiche e parlano in una serie di sussurri e grida", ha detto Michael Hoppa, assistente professore di scienze biologiche a Dartmouth e responsabile della ricerca.
"Questa scoperta ci mette su un percorso più rettilineo verso la capacità di curare i disturbi neurologici cronici".

Le sinapsi sono minuscoli punti di contatto che consentono ai neuroni del cervello di comunicare a frequenze diverse. Il cervello converte gli input elettrici dai neuroni in neurotrasmettitori chimici che viaggiano attraverso questi spazi sinaptici.

La quantità di neurotrasmettitore rilasciato cambia il numero e gli schemi dei neuroni attivati ​​all'interno dei circuiti del cervello.

Questo rimodellamento della forza della connessione sinaptica è il modo in cui avviene l'apprendimento e si formano i ricordi.

 Due funzioni supportano questi processi di memoria e apprendimento. Uno, noto come facilitazione, è una serie di picchi sempre più rapidi che amplifica i segnali che cambiano la forma di una sinapsi. L'altro, la depressione, riduce i segnali. Insieme, queste due forme di plasticità mantengono il cervello in equilibrio e prevengono disturbi neurologici come le convulsioni.

"Con l'avanzare dell'età, è fondamentale essere in grado di mantenere le sinapsi rafforzate. Abbiamo bisogno di un buon equilibrio di plasticità nel nostro cervello, ma anche della stabilizzazione delle connessioni sinaptiche", ha detto Hoppa.

La ricerca si è concentrata sull'ippocampo, il centro del cervello responsabile dell'apprendimento e della memoria.

Nello studio, il team di ricerca ha scoperto che i picchi elettrici vengono forniti come segnali analogici la cui forma influisce sulla grandezza del neurotrasmettitore chimico rilasciato attraverso le sinapsi.

Questo meccanismo funziona in modo simile a un dimmer con impostazioni variabili. Ricerche precedenti consideravano che i picchi fossero trasmessi come un segnale digitale, più simile a un interruttore della luce che funziona solo nelle posizioni "on" e "off".

"La scoperta che questi picchi elettrici sono analogici sblocca la nostra comprensione di come il cervello lavora per formare la memoria e l'apprendimento", ha detto In Ha Cho, borsista post-dottorato a Dartmouth e primo autore dello studio.

"L'uso di segnali analogici fornisce un percorso più semplice per modulare la forza dei circuiti cerebrali".

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Il premio Nobel Eric Kandel ha condotto un lavoro sulla connessione tra l'apprendimento e il cambiamento nella forma dei segnali elettrici nelle lumache marine marine nel 1970.

Non si pensava che il processo si verificasse nelle sinapsi più complesse trovate nel cervello dei mammiferi all'epoca.

Oltre a scoprire che i segnali elettrici che fluiscono attraverso le sinapsi nell'ippocampo del cervello sono analogici, la ricerca di Dartmouth ha anche identificato la molecola che regola i segnali elettrici.

La molecola - nota come Kvβ1 - è stata precedentemente indicata per regolare le correnti di potassio, ma non era noto per avere alcun ruolo nella sinapsi che controlla la forma dei segnali elettrici.

Questi risultati aiutano a spiegare perché era stato precedentemente dimostrato che la perdita di molecole Kvβ1 aveva un impatto negativo sull'apprendimento, la memoria e il sonno nei topi e nei moscerini della frutta.

La ricerca rivela anche i processi che consentono al cervello di avere una potenza di calcolo così elevata a un'energia così bassa.
Un singolo impulso elettrico analogico può trasportare informazioni multi-bit, consentendo un maggiore controllo con segnali a bassa frequenza.

"Questo aiuta la nostra comprensione di come il nostro cervello è in grado di lavorare a livelli di supercomputer con tassi molto più bassi di impulsi elettrici e l'equivalente energetico di una lampadina da frigorifero. Più impariamo su questi livelli di controllo, ci aiuta a imparare come il nostro cervello siacosì efficiente ", ha detto Hoppa.

Per decenni, i ricercatori hanno cercato regolatori molecolari della plasticità sinaptica concentrandosi sul meccanismo molecolare del rilascio chimico.
Fino ad ora, le misurazioni degli impulsi elettrici erano state difficili da osservare a causa delle piccole dimensioni dei terminali nervosi.

 La nuova scoperta della ricerca è stata resa possibile dalla tecnologia sviluppata a Dartmouth per misurare la tensione e il rilascio di neurotrasmettitori con tecniche che utilizzano la luce per misurare i segnali elettrici nelle connessioni sinaptiche tra i neuroni nel cervello.

Nel lavoro futuro, il team cercherà di determinare in che modo la scoperta si collega ai cambiamenti nel metabolismo cerebrale che si verificano durante l'invecchiamento e causano disturbi neurologici comuni.

Secondo il team di ricerca, il sistema molecolare esiste in un'area del cervello che è facilmente bersagliata dai farmaci e potrebbe prestarsi allo sviluppo di terapie farmacologiche.

 

Reference:

  1. In Ha Cho, Lauren C. Panzera, Morven Chin, Scott A. Alpizar, Genaro E. Olveda, Robert A. Hill, Michael B. Hoppa. The potassium channel subunit Kvβ1 serves as a major control point for synaptic facilitation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020; 202000790 DOI: 10.1073/pnas.2000790117

 


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