Dalla mano di Santiago Ramón y Cajal nacquero rami e spirali, spine e ragnatele. I celebri disegni del neuroanatomista, realizzati tra la fine del XIX e l’inizio del XX secolo, svelarono per la prima volta la particolarità e la diversità dei neuroni, i mattoni fondamentali del cervello dei mammiferi.
Santiago Ramón y Cajal: il pioniere delle cellule cerebrali
Nel secolo successivo, i suoi successori hanno lavorato intensamente per contare, tracciare, identificare, etichettare e categorizzare queste cellule. Oggi esistono innumerevoli modi per raggruppare i neuroni, spesso presentati in complessi e colorati atlanti neuronali. Con tali cataloghi, è possibile organizzare i neuroni in base alla funzione, separando i motoneuroni che aiutano il movimento dai neuroni sensoriali che aiutano la vista, o numerando i neuroni che assistono nella stima delle quantità.
È anche possibile distinguerli in base alla forma e struttura, per esempio per la presenza di assoni lunghi o corti, o in base alla loro posizione specifica, come nell’ippocampo o nel bulbo olfattivo. Nonostante questa enorme varietà e le diverse modalità di classificazione, la stragrande maggioranza dei neuroni rientra in due categorie fondamentali, indipendentemente dalla loro funzione, forma o posizione: i neuroni eccitatori, che attivano altri neuroni, e i neuroni inibitori, che impediscono ad altri di attivarsi.
Mantenere la giusta proporzione tra eccitazione e inibizione è essenziale per preservare un cervello sano e armonioso. Il neuroscienziato Mark Cembrowski dell’Università della British Columbia ha sottolineato come “gli squilibri in entrambe le direzioni possano essere davvero catastrofici” e portare a patologie neurologiche. Per esempio, un’eccessiva eccitazione può scatenare crisi epilettiche, mentre una scarsa eccitazione può essere associata a patologie come l’autismo.
Attualmente, i neuroscienziati stanno lavorando per comprendere il funzionamento di queste due classi cellulari e, in particolare, la loro interazione con una terza categoria di cellule, più rara, che ne influenza il comportamento. Queste intuizioni sono fondamentali e potrebbero in futuro contribuire a scoprire come ristabilire le reti che perdono il loro equilibrio, un fenomeno che può verificarsi anche come conseguenza del normale invecchiamento.
I meccanismi di comunicazione neuronale: “Stop” e “Go” nel cervello
I neuroni eccitatori e inibitori condividono un meccanismo di base nella comunicazione. La maggior parte di essi rilascia messaggeri chimici noti come neurotrasmettitori, che attraversano le minuscole fessure chiamate sinapsi e si legano a proteine recettoriali sul neurone adiacente. Ciò che li distingue è il tipo di neurotrasmettitore che rilasciano e il suo effetto sulla cellula ricevente.
Quando i neuroni eccitatori si attivano (o “sparano”), rilasciano quasi esclusivamente glutammato. Il glutammato provoca un flusso di ioni positivi all’interno del neurone ricevente, aumentandone la tensione interna. Questo stimola la cellula a generare un potenziale d’azione, una forte scarica elettrica che viaggia lungo la fibra nervosa. A sua volta, il neurone stimolato rilascia il proprio set di molecole per comunicare con gli altri, in una catena di attivazione.
Al contrario, quando i neuroni inibitori si attivano, rilasciano un neurotrasmettitore chiamato GABA. Il GABA stimola l’afflusso di ioni a carica negativa o l’efflusso di ioni a carica positiva nel neurone adiacente. Con una tensione interna inferiore, la cellula successiva viene dissuasa dall’attivarsi. Come afferma il neuroscienziato Tomasz Nowakowski, i neuroni inibitori “funzionano come una sorta di interruttore”. Questo sistema di “fermate e partenze” è cruciale, agendo come una sorta di autostrada neurale per assicurare che i segnali arrivino nei posti giusti al momento giusto, permettendoci di compiere azioni complesse come afferrare oggetti o ricordare informazioni.
Nella corteccia dei mammiferi, i neuroni eccitatori sono molto più numerosi di quelli inibitori. Tuttavia, nel corso dell’evoluzione del cervello, i neuroni inibitori si sono diversificati e aumentati in quantità, suggerendo un ruolo critico nelle funzioni cognitive superiori.
Storicamente, ai neuroni inibitori sono stati spesso attribuiti ruoli di supporto, un pregiudizio forse dovuto alla maggiore facilità nello studio dei neuroni eccitatori. La neuroscienziata Annabelle Singer spiega che, mentre l’attivazione di una cellula eccitatoria di posizione nell’ippocampo è “molto chiara” quando un animale è in un luogo specifico (in quanto eccita altre cellule), un neurone inibitorio “si attiva molto ovunque, ed è molto più difficile dire a cosa stia rispondendo,” dato che le cellule a cui è connesso non rispondono attivandosi.
Gli studi recenti stanno iniziando a far luce sull’importanza e sulla specificità dei neuroni inibitori. In una ricerca pubblicata su Nature, Annabelle Singer e colleghi hanno scoperto che i neuroni inibitori sono attivamente coinvolti nell’apprendimento e nella memoria nei topi. Questi neuroni diminuiscono selettivamente la loro attivazione quando l’animale si trova in prossimità di un luogo in cui può trovare cibo. Attivandosi meno frequentemente, potenziano i segnali desiderati e “consentono l’apprendimento della posizione importante”, suggerendo un ruolo nella memoria molto più attivo di quanto si pensasse.
Inoltre, la visione prevalente che considerava i neuroni inibitori come “generalisti,” che esercitano un’inibizione generalizzata su tutte le cellule circostanti, è stata sfidata. Nuno Maçarico da Costa dell’Allen Institute e il suo team, nell’ambito del progetto Microns, hanno scoperto che i neuroni inibitori sono in realtà molto specifici nella scelta delle cellule da inibire.
L’intreccio dei circuiti: eccitazione e inibizione
I circuiti cerebrali sono composti da una combinazione di cellule inibitorie ed eccitatorie che comunicano in modi altamente diversificati. Ad esempio, alcune cellule inibitorie indirizzano i loro segnali prevalentemente ai dendriti (le piccole ramificazioni di un neurone), mentre altre li inviano direttamente al corpo cellulare. Altre ancora si uniscono per inibire selettivamente determinate altre cellule. Questi diversi meccanismi si intrecciano per generare le nostre reazioni, i nostri pensieri, i nostri ricordi e la nostra stessa coscienza, sebbene i processi esatti non siano ancora completamente compresi.
C’è una notevole disparità tra la velocità di comunicazione neuronale e la lentezza dei processi cognitivi che ne derivano. I neuroni comunicano a una velocità migliaia di volte superiore, trasmettendo segnali in decine di millisecondi o meno. Il neuroscienziato Mark Cembrowski sottolinea che i neurotrasmettitori agiscono molto rapidamente, mentre le componenti comportamentali e cognitive che ci servono sono molto più lente. Questa apparente discrepanza costituisce “uno dei misteri centrali e più grandi del cervello”.
Una terza, e più rara, categoria di cellule può aiutare a colmare questo divario temporale: i neuroni neuromodulatori. Questi neuroni operano su scale temporali più lente, ma i loro effetti sono molto più duraturi e diffusi. Invece di limitarsi a inviare molecole attraverso una singola sinapsi al neurone successivo, i neuromodulatori possono riversare le loro molecole, come la dopamina o la serotonina, in un’intera area. Lì, interagiscono con molte sinapsi diverse, alterando la probabilità che i neuroni eccitatori o inibitori si attivino. Cembrowski descrive questo processo come la creazione di “una lenta corrente sotterranea di segnalazione che impartisce importanti cambiamenti nelle dinamiche rapide del cervello”.
Per esempio, la noradrenalina (un neuromodulatore) è fondamentale nella memoria a forte carica emotiva. Quando rilasciata, rafforza le connessioni tra i neuroni che formano la memoria, facendoli attivare più spesso e, di conseguenza, “indirizzando le esperienze particolarmente emotive nella memoria”.
Nonostante le etichette di base (eccitatorie, inibitorie, neuromodulatorie), i ruoli dei neuroni possono essere più complessi. Alcuni neuroni eccitatori e inibitori sembrano avere una funzione neuromodulatoria integrata. Un piccolo numero di neuroni, soprattutto quelli legati alle emozioni, può addirittura rilasciare GABA e glutammato contemporaneamente, acquisendo così proprietà sia eccitatorie che inibitorie. Inoltre, alcuni neuroni possono cambiare identità, ad esempio passando da eccitatori a inibitori, in condizioni particolari come lo stress cronico.
Sebbene esista una vasta diversità all’interno di queste ampie categorie di cellule, come dimostrato dagli atlanti cerebrali, tutte contribuiscono al ritmo essenziale di eccitazione e inibizione. I neuroscienziati stanno solo iniziando a comprendere le implicazioni degli squilibri in queste reti, ma questo lavoro potrebbe portare a nuovi trattamenti. Cembrowski conclude che comprendere e risolvere questi problemi può fare “un’enorme differenza, sia nella qualità della vita degli individui che nella società nel suo complesso”.
Lo studio è stato pubblicato su WIREs.
