Cellule cerebrali-Illustrazione dei neuroni nel cervello. Crediti immagine: 3Dme Creative Studio / Shutterstock.
Il cervello umano contiene quasi 86 miliardi di neuroni, che si scambiano costantemente messaggi come un’immensa rete di social media, ma i neuroni non lavorano da soli: cellule gliali, neurotrasmettitori, recettori e altre molecole formano una vasta rete di comunicazione che governa tutto, dal pensiero al comportamento. All’interno di ogni neurone, gli impulsi elettrici viaggiano rapidamente, mentre la comunicazione tra i neuroni avviene attraverso microscopiche aperture chiamate sinapsi. A queste giunzioni, neurotrasmettitori come dopamina, glutammato o serotonina agiscono come messaggeri chimici, legandosi ai recettori delle cellule vicine per influenzarne l’attività. A supporto di questo sistema ci sono tipi di recettori come i canali ionici ligando-dipendenti (LGIC) e i recettori accoppiati a proteine G (GPCR), ognuno dei quali innesca risposte distinte. Oltre a questi, neurotrofine come il fattore neurotrofico cerebrale (BDNF) e ormoni plasmano la funzione e lo sviluppo cerebrale a lungo termine.
Questo articolo esplora il modo in cui i neuroni del cervello e le cellule gliali di supporto comunicano attraverso segnali elettrici e chimici, plasmando tutto, dal pensiero al comportamento e come le interruzioni in questa rete contribuiscono ai disturbi neurologici.
Riepilogo dei ruoli svolti dalle cellule gliali nel cervello discussi in questa revisione. Ogni cellula gliale, microglia, astrocita e oligodendrocita, svolge ruoli cruciali nello sviluppo e nella maturazione del cervello. I colori sono stati utilizzati per evidenziare i ruoli simili tra le cellule gliali .
I principali attori: tipi di cellule cerebrali
Il cervello è composto da una complessa rete di cellule, in cui neuroni e cellule gliali svolgono un ruolo fondamentale nel mantenimento della comunicazione e delle funzioni. I neuroni sono le principali unità di segnalazione, trasmettendo messaggi elettrici e chimici attraverso strutture specializzate: dendriti (che ricevono i segnali), assoni (che li trasmettono) e sinapsi (dove i neuroni si connettono e comunicano). Tuttavia, questo intricato sistema di messaggistica è supportato e modulato dalle cellule gliali: astrociti, oligodendrociti e microglia.
Gli astrociti mantengono l’ambiente chimico, regolano il flusso sanguigno e supportano l’attività sinaptica. Gli oligodendrociti isolano gli assoni formando guaine mieliniche, consentendo una rapida conduzione del segnale. La microglia agisce come sentinella immunitaria, potando le sinapsi e rimuovendo i detriti. Queste cellule gliali non sono semplici elementi di supporto; ricerche emergenti ne evidenziano il ruolo dinamico nella modulazione dei circuiti neurali, influenzando l’apprendimento, la memoria e l’umore. Microglia e astrociti, ad esempio, interagiscono direttamente con le sinapsi in modelli di comunicazione “quadripartiti”, indicando un’integrazione più profonda nella segnalazione neuronale di quanto si pensasse in precedenza.
Anche altri tipi di cellule non neuronali, come le cellule gliali NG2 e le cellule ependimali, contribuiscono all’omeostasi e alla segnalazione cerebrale, sebbene siano meno caratterizzati.
In sostanza, la comunicazione cerebrale è un’attività collaborativa. I neuroni inviano messaggi, ma le cellule gliali modellano, sostengono e a volte persino avviano queste conversazioni, rivelando che comprendere il funzionamento del cervello richiede lo studio congiunto di cellule neuronali e non neuronali. 
Rappresentazione schematica di una sinapsi tra due neuroni. Le vescicole sinaptiche contengono un neurotrasmettitore (NT) e lo rilasciano quando le loro membrane si fondono con la membrana cellulare esterna. Le molecole di neurotrasmettitore attraversano la fessura sinaptica e si legano a recettori noti come canali ionici ligando-dipendenti (LGIC) e recettori accoppiati a proteine G (GPCR) sul neurone postsinaptico. I GPCR sul terminale assonale del neurone presinaptico alterano la funzione dei canali ionici voltaggio-dipendenti e modulano il rilascio di neurotrasmettitori. I trasportatori di neurotrasmettitori rimuovono le molecole di neurotrasmettitore dalla fessura sinaptica in modo che possano essere riconfezionate in vescicole 1 .
La meccanica della comunicazione neurale
La comunicazione neurale si basa su una rapida trasmissione di segnali elettrici e chimici. All’interno di un neurone, particelle cariche come gli ioni sodio e potassio fluiscono attraverso proteine specializzate chiamate canali ionici, generando impulsi elettrici. Il più critico di questi è il potenziale d’azione, un breve picco di tensione che viaggia lungo l’assone fino alla sinapsi.
A livello della sinapsi, i neuroni comunicano chimicamente. Quando un potenziale d’azione raggiunge il terminale assonico, innesca l’afflusso di calcio, inducendo le vescicole a rilasciare neurotrasmettitori nella fessura sinaptica. Questi messaggeri chimici come dopamina, serotonina e glutammato attraversano la fessura e si legano ai recettori del neurone ricevente (postsinaptico).
Le LGIC generano risposte rapide consentendo il flusso di ioni che eccitano o inibiscono il neurone postsinaptico. Le sinapsi eccitatorie promuovono i potenziali d’azione depolarizzando la membrana, solitamente tramite l’afflusso di sodio. Le sinapsi inibitorie, spesso attraverso i canali del cloro, iperpolarizzano la membrana, riducendo la possibilità di trasmissione del segnale.
I GPCR innescano cascate intracellulari più lente, ma più durature che influenzano l’attività cellulare, l’espressione genica e il rilascio di neurotrasmettitori. I loro effetti sono più sottili e spesso definiti neuromodulatori. Ad esempio, la dopamina agisce spesso tramite GPCR come i recettori D1 e D2 per modulare l’umore, l’attenzione e il movimento. Insieme, questa combinazione di comunicazione elettrica e chimica consente agli 86 miliardi di neuroni del cervello di formare reti dinamiche.L‘interruzione di questi processi causata da malattie, farmaci o lesioni può compromettere l’umore, la memoria e il comportamento. La comprensione di questi meccanismi è fondamentale per lo sviluppo di trattamenti per i disturbi neurologici e psichiatrici.
Comunicazione non neuronale
Gli astrociti svolgono un ruolo attivo nella comunicazione non neuronale modulando sia la funzione sinaptica che il flusso ematico cerebrale. Nel concetto di “sinapsi tripartita”, gli astrociti formano strette associazioni fisiche e funzionali con i neuroni presinaptici e postsinaptici. Queste cellule esprimono recettori che rilevano neurotrasmettitori come il glutammato e l’acetilcolina, consentendo loro di rispondere all’attività neuronale. In risposta, gli astrociti possono rilasciare gliotrasmettitori come il glutammato, l’adenosina trifosfato (ATP) e la D-serina, influenzando la forza e la plasticità sinaptica. Regolano inoltre la clearance dei neurotrasmettitori e li riciclano ai neuroni in forme precursori, mantenendo l’omeostasi sinaptica.
Oltre alla comunicazione sinaptica, gli astrociti svolgono un ruolo fondamentale nell’accoppiamento neurovascolare. I loro piedi terminali avvolgono i vasi sanguigni, consentendo loro di percepire l’attività neuronale e di rispondere rilasciando sostanze vasoattive come la prostaglandina E₂ e gli acidi epossieicosatrienoici. Queste sostanze dilatano i vasi sanguigni, regolando il flusso ematico cerebrale in base alle esigenze metaboliche locali. Gli astrociti contribuiscono anche all’integrità strutturale della barriera emato-encefalica e regolano l’omeostasi di ioni e acqua attraverso canali e trasportatori. Pertanto, gli astrociti sono parte integrante non solo della segnalazione neurone-glia, ma anche del coordinamento dell’attività neurale con la risposta vascolare. Tuttavia, alcuni aspetti dei meccanismi di rilascio dei gliotrasmettitori rimangono dibattuti nella comunità scientifica.
Come la comunicazione cerebrale modella il pensiero e il comportamento
Il cervello comunica attraverso intricate reti di neuroni che si riprogrammano continuamente, un processo noto come plasticità neurale. Ogni volta che impariamo qualcosa di nuovo o formiamo un ricordo, i neuroni modificano le loro connessioni, rafforzando o indebolendo le sinapsi in base all’attività. Questo riprogrammamento dinamico costituisce la base l’apprendimento, l’adattamento e persino il recupero dopo un infortunipero. Oltre ai cambiamenti strutturali, gli schemi elettrici noti come onde cerebrali aiutano a coordinare l’attività tra regioni cerebrali distanti. Queste oscillazioni si verificano a frequenze diverse, come onde alfa, beta o gamma, e svolgono un ruolo cruciale nell’attenzione, nel sonno e nel processo decisionale. Le onde veloci indicano spesso stato di allerta, mentre quelle più lente sono legate al rilassamento o al sonno profondo. Insieme, questi schemi contribuiscono a integrare input sensoriali, stati interni e risposte motorie.
Gli scienziati ipotizzano che la coscienza stessa possa emergere da questa attività coordinata che coinvolge l’intero cervello. Le teorie suggeriscono che quando diverse regioni cerebrali si sincronizzano, soprattutto attraverso onde ad alta frequenza, creano un’esperienza cosciente e unificata. In sostanza, i nostri pensieri, ricordi e comportamenti nascono dalla capacità del cervello di collegarsi, attivarsi e armonizzarsi tra le diverse regioni. La comprensione di questi meccanismi di comunicazione non solo approfondisce la comprensione di come pensiamo e sentiamo, ma è anche promettente per il trattamento di patologie come l’epilessia, la depressione e le malattie neurodegenerative.
Quando la comunicazione si interrompe
Quando la comunicazione neurale fallisce, il delicato equilibrio del cervello viene alterato, causando disturbi neurologici come il morbo di Parkinson, l’epilessia, la schizofrenia e il morbo di Alzheimer. Queste condizioni spesso derivano da una segnalazione difettosa a livello delle sinapsi, dove neurotrasmettitori come dopamina, glutammato e acido γ-amminobutirrico (GABA) regolano l’attività cerebrale. Nel morbo di Parkinson, i neuroni che producono dopamina degenerano, compromettendo la coordinazione dei movimenti. Nella schizofrenia, la segnalazione della dopamina diventa eccessiva o mal indirizzata, contribuendo ad allucinazioni e pensieri disorganizzati. L’epilessia deriva da scariche incontrollate di attività elettrica dovute a squilibri tra sinapsi eccitatorie e inibitorie. Il morbo di Alzheimer comporta una morte neuronale diffusa, spesso legata a neuroinfiammazione e malfunzionamento delle sinapsi.
Meccanismi comuni alla base di questi disturbi includono livelli anomali di neurotrasmettitori (ad esempio, eccesso o carenza di dopamina), attacchi autoimmuni alle proteine sinaptiche e gliosi reattiva, uno stato in cui le cellule gliali reagiscono in modo eccessivo alle lesioni, promuovendo l’infiammazione anziché la riparazione. Questa risposta gliale può compromettere l’accoppiamento neurovascolare e ostacolare la comunicazione neurone-glia, aggravando il danno. Inoltre, la neuroinfiammazione e l’interruzione della rimozione dei neurotrasmettitori esacerbano la degradazione del segnale, portando a un progressivo declino cognitivo e comportamentale. Comprendere queste alterazioni della comunicazione sinaptica e cellulare è essenziale per lo sviluppo di terapie volte a ripristinare la corretta funzionalità cerebrale in questi disturbi debilitanti.
Ricerca e tecnologie all’avanguardia
I recenti progressi nelle neuroscienze hanno portato a strumenti trasformativi che svelano il modo in cui il cervello comunica e controlla il comportamento. Le interfacce cervello-computer (BCI) sono all’avanguardia, consentendo la comunicazione diretta tra l’attività neurale e i dispositivi esterni. Decodificando i segnali cerebrali, le BCI consentono ai pazienti con disturbi neurologici come ictus o morbo di Parkinson di controllare protesi, sedie a rotelle o sistemi informatici utilizzando solo il pensiero. L’integrazione dell’intelligenza artificiale migliora la decodifica dei segnali, consentendo una riabilitazione altamente personalizzata attraverso sistemi di feedbackadattivo. .
Altrettanto trasformativi sono l’optogenetica e l’imaging in tempo reale, che consentono ai ricercatori di controllare e visualizzare con precisione i circuiti neurali nei cervelli viventi. Ciò consente una comprensione senza precedenti di come specifici neuroni influenzino il comportamento, le emozioni e l’apprendimento. Attraverso tecniche come la risonanza magnetica funzionale (fMRI) e la stimolazione optogenetica, gli scienziati possono osservare i percorsi di comunicazione e i cambiamenti sinaptici in azione.
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Nel frattempo, la connettomica e le simulazioni basate sull’intelligenza artificiale stanno mappando intere reti neurali con un livello di dettaglio pari a quello delle sinapsi. Utilizzando la microscopia elettronica e l’apprendimento automatico, i ricercatori hanno ricostruito connettomi completi in organismi modello come il moscerino della frutta, i cui sistemi nervosi relativamente semplici li rendono ideali per questo scopo. Queste mappe rivelano come i neuroni si organizzino in circuiti che elaborano gli input sensoriali, guidano le decisioni e coordinano il movimento. È importante sottolineare che i modelli computazionali basati su queste mappe ora simulano l’attività e il comportamento neurale, contribuendo a decodificare il modo in cui la struttura si traduce in funzione.
Insieme, queste tecnologie non solo approfondiscono la nostra comprensione del cervello, ma aprono anche la strada a trattamenti rivoluzionari: dagli ausili per la mobilità controllati dal pensiero alle terapie basate sul cervello per le malattie mentali e il declino cognitivo.
Fonte:Technology