Come l'esperienza sensoriale modella lo sviluppo del cervello

Le connessioni nel cervello dei mammiferi si sviluppano attraverso un mix di fattori genetici e ambientali sia nelle prime fasi di vita che in quelle successive. All'inizio, nell'utero, i circuiti cerebrali creano molte connessioni tra i neuroni, che vengono poi aggiustate dopo la nascita. Questo processo di aggiustamento è importante affinché il cervello funzioni bene per tutta la vita. Se questo aggiustamento non avviene correttamente, possono insorgere condizioni come l'autismo e la schizofrenia. Perciò, è fondamentale capire come cambiano i circuiti cerebrali nelle prime fasi dopo la nascita.

Anche se gli scienziati hanno cercato di capire i processi genetici durante le prime fasi dello sviluppo cerebrale, si sa meno su come le esperienze dopo la nascita plasmino questi circuiti. Un esempio chiaro è come vedere le cose influisca sullo sviluppo del sistema visivo nei topi, specialmente intorno alle tre settimane di età. Da circa 20 a 30 giorni dopo la nascita, le esperienze visive aiutano a rinforzare e affinare le connessioni tra alcuni neuroni nel talamo e nella Corteccia visiva. Se i topi sono tenuti al buio totale durante questo periodo, i loro circuiti visivi non si sviluppano correttamente, ma se ricevono luce, i loro circuiti visivi maturano efficacemente.

#Esperienza Sensoriale e Raffinamento dei Circuiti Neurali

Il processo di affinamento di questi circuiti non è ancora ben compreso a livello molecolare. Un modo possibile in cui l'esperienza sensoriale influisce sullo sviluppo dei circuiti è attraverso l'attivazione di determinati geni nei neuroni quando sono stimolati da input sensoriali. Questa attivazione è nota come trascrizione dipendente dall'attività, che comporta l'influsso di calcio nelle cellule che attiva processi di segnalazione che portano all'Espressione genica. Entro un'ora dall'attivazione, i neuroni iniziano a esprimere geni precoci immediati (IEGs), responsabili di diverse funzioni importanti. Successivamente, questi geni aiutano ad attivare altri geni che influenzano direttamente come vengono rimodellati le sinapsi.

Nonostante si comprenda che le esperienze sensoriali giochino un ruolo chiave nello sviluppo dei circuiti cerebrali, l'intera portata dei programmi genici influenzati da queste esperienze non è ben documentata. Per indagare su questo, è stato condotto uno studio utilizzando un metodo specifico per alterare l'esperienza visiva nei topi. I topi sono stati tenuti al buio per una settimana e poi esposti a diverse quantità di luce prima di raccogliere tessuti cerebrali per l'analisi. Facendo così, i ricercatori speravano di vedere come diverse condizioni di luce influenzassero l'espressione genica nella corteccia visiva in sviluppo.

#Progettazione Sperimentale

I ricercatori hanno utilizzato un metodo chiamato allevamento tardivo al buio (LDR), dove i topi sono stati inizialmente allevati in un normale ciclo luce/buio dalla nascita fino al giorno 20. Successivamente, sono stati posti in completa oscurità per un periodo per osservare gli effetti sull'espressione genica nella corteccia visiva. Una volta raggiunto il giorno 27 e il raffinamento dipendente dall'esperienza sensoriale era al suo apice, alcuni topi sono stati sacrificati al buio o brevemente esposti alla luce per diverse durate per analizzare gli effetti immediati e duraturi dell'esperienza sensoriale.

Lo studio ha coinvolto il confronto dell'espressione di determinati geni tra topi normalmente allevati e quelli privati di luce. Sono stati misurati geni specifici noti per rispondere rapidamente a esperienze sensoriali usando tecniche come la qPCR e l'ibridazione in situ a singola molecola (smFISH) per determinare i loro livelli nel tessuto cerebrale.

#Risultati sull'Espressione Genica

I ricercatori hanno scoperto che nei topi privati di esperienza sensoriale, alcuni geni erano espressi a livelli più alti rispetto ai topi normalmente allevati. In particolare, è stato osservato che i NeuronI eccitatori erano significativamente influenzati dalla mancanza di esperienza sensoriale, mostrando un aumento nell'espressione genica legata alla loro funzione. D'altra parte, i Neuroni Inibitori mostrano cambiamenti minimi. Questo indica che i neuroni eccitatori sono più sensibili alle esperienze sensoriali a livello molecolare.

Quando la luce è stata successivamente reintrodotta ai topi allevati al buio, i livelli di espressione genica nella corteccia visiva sono cambiati rapidamente, con il maggiore aumento osservato poco dopo l'esposizione alla luce. I risultati hanno dimostrato che le esperienze sensoriali influenzano i modelli di espressione genica, evidenziando come i circuiti neuronali si adattino in risposta al loro ambiente.

#Risposte Specifiche dei Neuroni

I ricercatori hanno poi esaminato come i neuroni eccitatori e inibitori rispondano alle esperienze visive. È stato trovato che in diversi momenti dopo l'esposizione alla luce, diversi geni mostrano un'upregulation in risposta alla stimolazione visiva. I neuroni eccitatori hanno mostrato i cambiamenti più significativi immediatamente dopo l'esposizione, mentre i neuroni inibitori hanno risposto più lentamente.

Lo studio mirava a trovare similitudini e differenze nell'espressione genica tra neuroni eccitatori e inibitori quando stimolati. Ha rivelato che molti geni rispondono a esperienze visive nei neuroni eccitatori, mentre meno geni sono stati similmente influenzati nei neuroni inibitori. Questo suggerisce che i neuroni eccitatori svolgono un ruolo più dinamico durante questo periodo critico di sviluppo.

#Programmi Genici Condivisi e Distinti

Per comprendere meglio la relazione tra neuroni eccitatori L2/3 e L4, i ricercatori hanno confrontato i programmi genici di queste due popolazioni. Hanno scoperto che entrambi i tipi di neuroni reagivano fortemente alla stimolazione visiva, mostrando molte risposte genetiche condivise. Tuttavia, sottili differenze indicavano che, anche se entrambe le popolazioni venivano attivate da esperienze sensoriali, i loro meccanismi genetici sottostanti potevano variare.

Questa analisi includeva l'osservazione di come diversi percorsi di segnalazione si attivassero in risposta alla stimolazione visiva. Molte proteine responsabili della comunicazione cellulare, in particolare le chinasi proteiche, sono state identificate, rafforzando l'idea che l'input sensoriale possa rafforzare la comunicazione tra sinapsi e il nucleo dei neuroni.

#Il Ruolo della Segnalazione Cellulare

Per capire come i diversi tipi di cellule interagiscano durante queste esperienze, i ricercatori hanno utilizzato uno strumento computazionale chiamato CellChat. Hanno trovato un numero significativo di potenziali interazioni ligando-recettore tra diversi tipi di cellule nella corteccia visiva. Questo ha rivelato vari percorsi di segnalazione attivi durante le fasi di raffinamento dipendenti dall'esperienza sensoriale.

Lo studio ha identificato percorsi di segnalazione chiave come Neurexina e Neuregulina come vitali per mediare la comunicazione tra neuroni eccitatori e inibitori durante lo sviluppo dei circuiti. Questi percorsi sono cruciali per facilitare la crescita sinaptica e garantire che i neuroni scambino informazioni in modo efficiente.

#Conclusione

In generale, questa ricerca evidenzia l'importante ruolo che l'esperienza sensoriale gioca nel plasmare i circuiti cerebrali durante le prime fasi di sviluppo. Manipolando le esperienze visive nei topi e analizzando i modelli di espressione genica risultanti, lo studio ha fornito nuove intuizioni su come i circuiti neuronali si adattino e si raffinino nel corso dei periodi critici dello sviluppo cerebrale.

I risultati sottolineano che i neuroni eccitatori, in particolare, sono altamente reattivi agli ambienti sensoriali, e la loro capacità di regolare dinamicamente l'espressione genica contribuisce alla funzionalità complessiva del sistema visivo.

Questo dataset serve come una risorsa preziosa per i ricercatori che mirano a comprendere i meccanismi molecolari dietro il raffinamento dei circuiti neurali dipendente dall'esperienza sensoriale. Le intuizioni raccolte possono contribuire a una comprensione più profonda di come gli input sensoriali influenzino lo sviluppo cerebrale e potenzialmente guidare future indagini sui disturbi neuropsichiatrici.