Svelate le dinamiche trascrizionali alla base della plasticità del cervello

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Il nostro cervello ha un talento eccezionale per l’adattabilità. Ogni giorno le connessioni neuronali all’interno cambiano costantemente, plasmate da ciò che sperimentiamo nella nostra vita quotidiana. I ricordi che creiamo, le informazioni apprese e le competenze acquisite innescano questo processo dinamico, causando cambiamenti duraturi nei circuiti neuronali. Come dice il proverbio, “l’esperienza è il miglior insegnante” e non potrebbe essere più vero per il nostro cervello.

Insieme all’apprendimento e alla memoria, anche le esperienze sensoriali come l’ascolto della musica o l’apprezzamento di una vista straordinaria hanno un effetto simile sul cervello. Le informazioni sensoriali in arrivo attivano i neuroni nella corteccia, causando modifiche a lungo termine ai circuiti a seconda di ciò che sperimentiamo. Questo processo chiamato plasticità dipendente dall’esperienza, fa parte del motivo per cui il nostro cervello si sviluppa in modo diverso a causa di esperienze di vita individuali uniche.

Ma come fanno i nostri cervelli a convertire l’attività neuronale relativamente di breve durata in cambiamenti a lungo termine guidati dalle nostre esperienze sensoriali?

La chiave sta nelle proteine ​​specializzate chiamate fattori di trascrizione dipendenti dall’attività. Rispondendo all’attività neuronale, questi fattori attivano i geni all’interno della cellula aiutando a tradurre la rapida segnalazione in arrivo in cambiamenti più lenti e duraturi. Nonostante l’importanza della trascrizione dipendente dall’attività per lo sviluppo e la plasticità a lungo termine nel cervello sia evidente, era impossibile monitorare direttamente l’attività dei fattori di trascrizione. Ciò è dovuto principalmente alla mancanza di strumenti disponibili per studiare l’interazione tra l’attività neuronale e l’attivazione del fattore di trascrizione che si verifica in un cervello vivo e intatto.

In uno studio recentemente pubblicato su Neuron, gli scienziati del Yasuda Lab del Max Planck Florida Institute for Neuroscience (MPFI) hanno progettato e sviluppato nuovi biosensori che consentono lo studio simultaneo sia dell’attività neuronale evocata sensoriale sia delle dinamiche del fattore di trascrizione. Associando le tecniche specializzate dell’imaging del calcio a 2 fotoni con l’imaging a fluorescenza a 2 fotoni (2pFLIM), gli scienziati per la prima volta in assoluto avranno la capacità unica di studiare come funzionano i fattori di trascrizione in un cervello vivente con risoluzione a singola cellula.

L’attività del fattore di trascrizione nel cervello non è un processo statico, ma piuttosto molto dinamico che può avvenire nell’ordine di ore o giorni dopo un’esperienza sensoriale. I metodi tradizionali di studio di queste proteine ​​prevedono il congelamento del tessuto cerebrale in un solo momento. Quindi, questi approcci possono dirti se un determinato fattore è attivato o meno, ma non sono bravi a catturare come l’esperienza modella l’attività del fattore di trascrizione nel tempo. “Volevamo sviluppare un nuovo modo di studiare come questo processo si sta effettivamente verificando in un cervello vivente e abbiamo scelto di studiare CREB, un fattore di trascrizione cellulare, a causa del suo forte coinvolgimento nella plasticità, nell’apprendimento e nella memoria “, dice il  Dr. Tal Laviv, ricercatore nel laboratorio Yasuda e autore principale dell’articolo.

Gli scienziati MPFI hanno iniziato lo studio creando biosensori sensibili e specifici 2pFLIM progettati per segnalare l’attività diretta della proteina di legame dell’elemento di risposta cAMP o “CREB” in breve. Impacchettando i loro sensori appena generati usando una strategia virale adeno-associata (AAV), il team li ha poi espressi in una popolazione di neuroni all’interno della corteccia somatosensoriale dei topi. I cambiamenti nell’ambiente sono noti per attivare questa regione del cervello e, in risposta, i neuroni all’interno modulano numerose molecole di segnalazione tra cui CREB. Ma poco si sa circa la dinamica temporale dell’attivazione di CREB dopo un cambiamento nell’ambiente. Usando il sensore 2pFLIM CREB, il team ha monitorato l’attività di CREB nella stessa popolazione di neuroni mentre i topi hanno sperimentato un ambiente arricchito. L’ambiente arricchito ha causato un aumento significativo dell’attività complessiva di CREB. È interessante notare che, quando i topi sono stati rimossi dall’ambiente arricchito per un lungo periodo di tempo, l’attività di CREB è tornata ai livelli normali indicando l’esperienza sensoriale come motore per l’attività sostenuta.

Successivamente, gli scienziati MPFI hanno cercato di scoprire come le esperienze sensoriali e l’attivazione neuronale modellano l’attività del CREB nel cervello vivente. Per fare ciò, il team ha espresso il sensore CREB e un sensore di attività neuronale (sensore di calcio) nella corteccia visiva dei topi. Precedenti studi hanno dimostrato che quando i topi sono temporaneamente privati ​​degli stimoli visivi e collocati in alloggiamento scuro, la plasticità neuronale è aumentata nella corteccia visiva. Nel nuovo studio, i neuroni corticali visivi sono stati ripresi nei topi di allevati al buio durante la presentazione di stimoli visivi. Sia la dinamica del calcio che quella di

CREB nelle singole cellule sono state simultaneamente fotografate per periodi di tempo prolungati.

I risultati hanno rivelato una regolazione dinamica dell’attività di CREB nella corteccia visiva: i topi allevati al buio hanno mostrato livelli drammaticamente aumentati di CREB evocato visivamente rispetto ai topi allevati in normali condizioni di luce / oscurità. Curiosamente questa elevata attività di CREB non era dovuta a livelli elevati di calcio all’interno dei singoli neuroni, il che indica che l’esperienza sensoriale può mettere a punto la sensibilità della trascrizione dipendente dall’attività nel cervello vivente.

Questo approccio unico può essere ampiamente applicato a molti diversi tipi di fattori di trascrizione in futuro e consentirà un’opportunità senza precedenti per svelare le dinamiche trascrizionali alla base della plasticità del cervello dipendente dall’esperienza.

Fonte, Neuron