Gli scienziati di Harvard mappano in tempo reale i segnali di voltaggio nei dendriti cerebrali di animali vivi

Capire come i singoli neuroni elaborano le informazioni e apprendono richiede di sapere esattamente come i segnali elettrici viaggiano attraverso le loro elaborate strutture ramificate, chiamate dendriti. Questi rami sia ricevono input da migliaia di altri neuroni, sia trasmettono impulsi di feedback dal corpo cellulare. Fino ad ora, mappare queste dinamiche in un animale vivente era tecnicamente fuori dalla portata della scienza.

Ricercatori della Harvard University e del Janelia Research Campus hanno combinato la stimolazione mirata con luce attivata con una sofisticata tecnica di imaging della tensione su doppio piano, per osservare simultaneamente l'attività elettrica dendritica e somatica (del corpo cellulare) nei neuroni piramidali dello strato corticale 2/3, sia in topi anestetizzati che in topi svegli. Hanno tracciato i segnali spontanei, evocati sensorialmente e innescati optogeneticamente lungo l'intero albero dendritico.

Il risultato principale sfida un'ipotesi largamente diffusa: invece di comportarsi come unità di calcolo elettricamente isolate, i diversi rami dendritici mostravano una tensione di membrana ampiamente correlata lungo l'intero albero. La compartimentalizzazione all'interno dei singoli rami era sorprendentemente debole. I ricercatori hanno tuttavia scoperto un potente effetto dipendente dalla storia dell'attività neuronale: i potenziali d'azione retropropaganti (impulsi elettrici che viaggiano dal corpo cellulare verso i dendriti) penetravano nei rami distali in modo molto meno efficace dopo recenti raffiche di scariche.

Questo filtraggio dei segnali verso i dendriti distali, dipendente dalla storia delle scariche, potrebbe fungere da cancello dinamico, regolando quando e dove viene innescata la plasticità sinaptica. In sostanza, l'attività recente di un neurone determina con quale intensità i segnali successivi influenzano le sue stesse regole di apprendimento — un meccanismo che potrebbe essere alla base della plasticità dipendente dalle raffiche, un modello di riferimento per spiegare come le sinapsi si rafforzano durante l'apprendimento.

Per la ricerca sulla salute cerebrale e sulla longevità cognitiva, questi risultati sono rilevanti perché le regole della plasticità governano la formazione della memoria, l'apprendimento e la riparazione neurale. Le alterazioni della segnalazione dendritica sono implicate nel morbo di Alzheimer e in altre condizioni neurodegenerative. Questo lavoro fornisce una nuova base tecnica per studiare tali alterazioni a livello cellulare nel tessuto vivente.