Controllo nervoso di elementi eccitabili (muscolo scheletrico, neuroni) e sinaptogenesi.

Data inizio
1 gennaio 2002
Durata (mesi) 
36
Dipartimenti
Neuroscienze, Biomedicina e Movimento
Responsabili (o referenti locali)
Cangiano Alberto

PREMESSA Durante lo sviluppo del sistema nervoso i neuroni ed i loro bersagli periferici come i muscoli scheletrici, entrano in contatto sinaptico tra di loro ed iniziano a scambiarsi segnali diretti nei due sensi, anterogrado e retrogrado (segnali neurotrofici). Essi sono importanti sia per la formazione e differenziamento della sinapsi che per l’acquisizione delle caratteristiche adulte della cellula pre- e post-sinaptica. Noi studiamo la natura soprattutto di quelli anterogradi, per la comprensione sia della ontogenesi del tessuto nervoso che dei meccanismi di riparazione delle lesioni. 11 nostro preparato è rappresentato dalla giunzione neuro-muscolare, nel quale la cellula pre-sinaptica è il motoneurone e quella post-sinaptica la fibra muscolare, a causa della sua accessibilità e relativa semplicità, ma i risultati sono di interesse per tutta la neurobiologia dello sviluppo. In generale i segnali neurotrofici anterogradi possono essere di natura chimica (il neurotrasmettitore, cioè l’acetilcolina, o altri fattori di natura ignota) oppure di natura elettrica (vale a dire gli impulsi nervosi trasmessi dal nervo al muscolo).

SCOPO DELLA RICERCA. Delle numerose proprietà neuromuscolari controllate dai motoneuroni stiamo attualmente investigando quella nota come `competizione ed eliminazione sinaptica. Si tratta di un importante fenomeno fisiologico a carattere regressivo che avviene durante lo sviluppo delle connessioni nervose praticamente in tutto il sistema nervoso centrale e periferico. Esso è stato scoperto nel 1970 nella giunzione neuromuscolare (Redfern) dove il tipico quadro adulto costituito dalla innervazione di ogni fibra muscolare da parte di un solo motoneurone è preceduto dalla innervazione da parte di più motoneuroni (innervazione polineuronale), durante la vita embrionaria e post-natale precoce. La vittoria finale del terminale motorio di un solo motoneurone avviene su base competitiva ed è stata mostrata dipendere dall’attività elettrica. Infatti l’eliminazione sinaptica è soppressa dalla paralisi mentre è accelerata dall’incremento di attività (Purves e Lichtman, 1985, per rassegna). Il ruolo dell’attività è tuttavia più complesso. Nel sistema visivo del neonato l’attivazione asincrona degli input dai due occhi (strabismo) promuove lo sviluppo di connessioni monoculari sui neuroni corticali: il normale sviluppo di connessioni binoculari è stato quindi attribuito alla scarica sincrona degli input provenienti dalle zone retiniche omologhe dei due occhi (Hubel e Wiesel, 1965). È cosi nata la teoria che l’attività sincrona inibisce mentre quella asincrona favorisce la competizione tra input sinaptici convergenti su una cellula bersaglio comune: è questa un’applicazione al campo dello sviluppo della ipotesi di Hebb che postula che l’attività coincidente tra parte pre- e post-sinaptica rafforza le sinapsi durante l’apprendimento (Hebb, 1949). Nel sistema visivo, quindi, non ha importanza l’attività come tale, ma le differenze temporali di attività tra input in competizione tra di loro. Nella giunzione neuromuscolare esperimenti che hanno indotto differenze di attività tra input in competizione tra `di loro, hanno dato risultati conflittuali. Mentre alcuni hanno affermato esistere un vantaggio degli input attivi su quelli inattivi, altri hanno sostenuto l’opposto (Purves e Lichtman, 1985). Ci proponiamo quindi di chiarire questo problema, sottoponendo a verifica sperimentale le seguenti domande: 1) se l’attività sincrona degli input neuromu scolari in competizione tra di loro antagonizzi la loro eliminazione, favorendo così il persistere della innervazione polineuronale tipica della vita embrionaria, 2) se l’attività asincrona sia quindi la causa principale della eliminazione sinaptica.

METODI. L’idea base del nostro progetto è che il test degli effetti dell’attività sincrona richiede che l’attività naturale dei motoneuroni, che è asincrona, venga sostituita da una sincrona. Questo si può ottenere combinando la stimolazione elettrica degli assoni con il loro blocco di conduzione applicato centralmente (Cangiano e Lutzemberger, 1980). Poichè queste procedure devono durare varie settimane in vivo e non possono essere applicate in embrioni o neonati, utilizziamo un modello di neo-sinaptogenesi nel ratto adulto. Esso è basato sul trapianto del moncone periferico di un nervo estraneo sul muscolo soleo: la sezione del nervo originale è seguita dalla rapida formazione di input polineuronali da parte degli assoni del nervo estraneo su ogni fibra muscolare, seguita dalla eliminazione sinaptica (Brown et al., 1976).
Un altro approccio sperimentale è costituito dalla registrazione in ratti al termine della vita embrionaria (E21) ed all’inizio di quella extrauterina (PO-P30), dell’attività spontanea di scarica dei motoneuroni. Questo verrà effettuato mediante registrazione elettromiografica dell’attività delle unità motorie, nell’animale in vivo. Per ridurre gli artefatti da movimento verranno utilizzati speciali microelettrodi di vetro di tipo “flottante” costruiti nel nostro laboratorio.

RISULTATI ATTESI Poichè la stimolazione elettrica induce attività sincrona degli input convergenti durante il periodo dello sviluppo delle connessioni sinaptiche, ci attendiamo che, in base alla predizione Hebbiana, si abbia un drastico prolungamento del periodo di innervazione polineuronale delle fibre muscolari, tipico delle fasi embrionarie della innervazione. Da ogni altro punto di vista, invece, le fibre muscolari e le sinapsi dovrebbero avere caratteristiche adulte, purchè esse siano state sottoposte ad efficace attività elettrica.
I risultati fin qui ottenuti confermano nettamente queste previsioni. Inoltre i nuovi esperimenti di registrazione dell’attività elettrica dei motoneuroni nell’embrione e nel neonato, dovrebbero chiarire se l’attività elettrica fisiologica è inizialmente sincrona, così favorendo lo stabilirsi dell’innervazione poli-neuronale, per poi divenire asincrona durante le prime fasi di vita postnatale, così determinando l’eliminazione degli input ridondanti.

Enti finanziatori:

Finanziamento: assegnato e gestito dal Dipartimento

Partecipanti al progetto

Carlo Bidoia
Giuseppe Busetto
Ricercatore

Attività

Strutture