Sapere Scienza

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Il pendolo della plasticità: dai topi all’uomo

17 Novembre 2021 di 

Cercando su PubMed (il sito americano in cui sono raccolte le pubblicazioni scientifiche) le parole chiave “plasticità cerebralevengono fuori più di 70 000 articoli. Sembra un argomento di ricerca molto gettonato nelle neuroscienze. Ma che cos’è davvero?

 

Cosa è la plasticità cerebrale?


La plasticità viene definita come la capacità del cervello di cambiare la sua struttura (e funzione) nel corso della vita dell’individuo, permettendogli così di adattarsi alle variazioni dell’ambiente esterno. Nasciamo dotati di un cervello (assemblato grazie alla genetica) in grado di svolgere molteplici funzioni, dalla sensibilità agli stimoli esterni alla loro elaborazione centrale, e alle risposte motorie (azioni), che ci consentono di sopravvivere nel mondo circostante. Tuttavia, questo “progetto di macchina pensante” non può prevedere tutto ciò che incontrerà nella vita, perché il mondo cambia continuamente. La plasticità consente quindi al cervello di “affinarsi” per comprendere il mondo e “adattarsi” a esso nel migliore dei modi.
Gli studi sulla plasticità spaziano ormai in diverse specie animali, dalle più semplici alle più complesse. Famoso è l’esempio della lumachina di mare (Aplysia californica) studiata dal premio Nobel Eric Kandel: se punzecchiata in una precisa parte del corpo, la lumachina la retrae come riflesso di difesa; ma ripetendo la stimolazione, il suo semplice sistema nervoso “impara” che lo stimolo è innocuo e, dopo un po’, non reagisce più. Alla base di questo apprendimento minimalista c’è una sensibilizzazione delle sinapsi dei neuroni e, a lungo termine, una modificazione strutturale delle stesse. La ricerca ha dimostrato questo principio in tutte le specie studiate, anche in cervelli estremamente complessi come quello umano, con i suoi 90 miliardi di neuroni e migliaia di miliardi di connessioni sinaptiche.
Si può pertanto affermare di aver raggiunto una certezza: tutte le specie animali, da quelle con poche migliaia di neuroni a quelle con funzioni cognitive elevate, possiedono la plasticità. Ma quali sono le eventuali differenze?

 

Gli animali e la plasticità: simili ma non uguali


Dai 70 000 lavori scientifici sulla plasticità è emerso un panorama eterogeneo che spiega come il cervello possa cambiare in modi diversi.
La forma più semplice di plasticità neuronale è quella sinaptica e si basa su un principio anch’esso semplice: più i neuroni “lavorano”, più le sinapsi si rafforzano. Una serie di modificazioni molecolari rendono alcuni contatti sinaptici più efficienti, mentre altri che lavorano meno si indeboliscono. A lungo andare, questo fenomeno può portare alla creazione di nuove sinapsi e all’eliminazione di altre, trasformando un fenomeno “molecolare” in qualcosa di “strutturale”. Il risultato è sorprendente: gli stimoli esterni inducono una competizione tra i neuroni e i loro contatti reciproci, portando a cambiare la struttura stessa delle reti neuronali. Se non pensate che ciò sia sorprendente, provate a moltiplicarlo per le migliaia di miliardi di sinapsi del vostro cervello. Poi provate a dirlo in modo più discorsivo: lo stile di vita cambia la struttura del cervello, cioè l’hardware della mente.
Ovviamente, tutto ciò non cambia il numero di neuroni, da sempre considerati incapaci di replicarsi. Eppure, negli anni ’90 è stato scoperto che in alcune zone del cervello esistono cellule staminali in grado di dividersi e generare nuovi neuroni durante la vita adulta. Anche questa cosiddetta neurogenesi adulta può essere modulata dall’esterno. Ad esempio, aumenta notevolmente nell’ippocampo dei topi che corrono sulla ruota rispetto a quelli che stanno ad annoiarsi in una gabbietta senza ruota. E il tutto è ancora più evidente se i topi vengono alloggiati in una grande gabbia a cinque stelle, con giochini vari e stimoli cognitivi (quello che gli scienziati chiamano ambiente arricchito). Ecco, quindi, un altro tipo di plasticità, sicuramente eclatante ma anche biologicamente dispendiosa, tanto che esiste soltanto in due piccole zone del cervello.
Recentemente, è stato scoperto che la natura è riuscita ad aggirare il problema con i neuroni immaturi: cellule nervose che vengono generate durante la vita fetale (come il resto del cervello) ma poi rimangono in uno stato di “immaturità” per lungo tempo, in modo da poter essere utilizzate a un certo momento, completando la maturazione. È come se un compagno della vostra classe alle elementari fosse rimasto il ragazzino di allora fino a oggi: potrebbe diventare qualsiasi cosa, mentre voi ormai avete il vostro mestiere e la vostra maturità. Questi neuroni “dormienti” sono a tutt’oggi poco studiati e rappresentano l’ultima novità in tema di plasticità cerebrale, un argomento che non smette mai di sorprenderci.
Sappiamo quindi che il cervello ha a disposizione diversi modi per cambiare, grazie a differenti forme di plasticità. Questo è sicuramente positivo. È però emerso che la plasticità può variare notevolmente tra le specie animali, per quantità, estensione e tipologia.
Se confrontiamo il cervello di un pesce con quello di un mammifero, ci accorgiamo che il primo è ricco di cellule staminali, disposte un po’ ovunque e in grado di rinnovare continuamente molte popolazioni di neuroni, mentre il secondo ha solo due nicchie staminali e quindi, in gran parte, non può rinnovarsi. È chiaro dunque che la plasticità si riduce fortemente nella filogenesi, soprattutto andando verso cervelli più grandi e “complessi”. Questo ha anche un senso, perché le specie con capacità cognitive più elevate hanno bisogno di stabilità per fissare i ricordi. Avere un elevato turnover di cellule porterebbe a cancellare ciò che è stato acquisito, come infatti accade nei neonati (ci ricordiamo qualcosa solo a partire da una certa età, mentre abbiamo un’amnesia riguardo ai primi anni di vita).
Importanti differenze esistono anche tra i mammiferi, andando dal cervello piccolo e liscio dei topi (con corteccia cerebrale poco estesa) a quello dei primati (con grande espansione della corteccia). Ad esempio, sappiamo che la neurogenesi adulta è presente nell’intero arco della vita dei topi, mentre sembra relegata solo alle fasi giovanili nell’uomo. È invece il contrario per i neuroni immaturi, che aumentano nei cervelli più grandi.
Sembra quindi che la scelta del tipo di plasticità più adatto alla specie sia stata operata dall’evoluzione, il che complica l’interpretazione dei dati ottenuti sugli animali da laboratorio (per lo più topi e ratti) ai fini di utilizzarli nella specie umana.
C’è poi un altro problema. Studiare questi fenomeni è tutt’altro che facile. Già è complicato investigare l’attività dei neuroni e dei loro circuiti, ma nel caso della plasticità si aggiunge l’aspetto estremamente dinamico del tutto. Per definizione, stiamo parlando di continui cambiamenti, molecolari e strutturali, all’interno dell’organo biologico più complesso che conosciamo. Si aggiunga che le differenze interspecifiche via via emergenti spingerebbero a studiare i sistemi nervosi più complessi rispetto a quello più “facile” dei topi. Ne deriva che sarà difficile mettere d’accordo tutti questi cervelli, soprattutto quelli degli scienziati!

 

Il dibattito scientifico sulla neuroplasticità


Possono gli scienziati avere idee e opinioni diverse sullo stesso argomento? Secondo alcuni no, perché esiste ancora una visione della scienza fatta di certezze. Ovviamente, chi la pensa così non conosce affatto la scienza. In ogni campo, anche nello studio della plasticità, si può dire di aver raggiunto molti traguardi: sappiamo per esempio che nel cervello del topo esistono cellule staminali che generano neuroni e che qualcosa di simile esiste nei giovanissimi della specie umana. Nei 70 000 articoli di PubMed si troveranno molte certezze condivise, ma la ricerca scientifica agisce in quel fronte mobile di incertezza che ci separa dall’ignoto, ed è quindi perfettamente plausibile e “sano” che lì ci siano opinioni e interpretazioni diverse, basate su dati ancora incompleti o da verificare.
Questo è ciò che sta accadendo con l’interpretazione dei dati ottenuti direttamente dal cervello umano. I limiti in questo tipo di studio sono molti, dalla scarsa qualità del tessuto post mortem (i cervelli estratti dalla scatola cranica dopo la morte dell’individuo e “fissati” con liquidi che ne rendano possibile lo studio) alla scarsa quantità di quello prelevato nel corso di interventi neurochirurgici, alla scarsa risoluzione delle tecniche non invasive (come la risonanza magnetica, con cui non vediamo direttamente le cellule, ma solo “effetti” in ampie aree cerebrali). Queste difficoltà, inevitabilmente, portano a diverse interpretazioni, che nel caso del dibattito sulla neurogenesi nell’uomo e nel topo sono diventate un vero enigma e hanno dato il via a una battaglia epocale tra scuole di pensiero (ne parlo nel libro L’enigma del giovane neurone).

 

 

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Un altro tema che contempla diverse visioni riguarda il ruolo della plasticità. In parte lo abbiamo già spiegato, ma sin dagli esordi di questo campo di indagine gli scienziati si sono focalizzati su un altro aspetto: le potenzialità riparative dei fenomeni plastici in caso di lesione o malattia. In alcuni casi, la presenza di plasticità può compensare la perdita di neuroni o di funzioni legata alla patologia. Ciò può valere per la plasticità sinaptica (alcune sinapsi verranno riconvertite a tamponare l’assenza di altre, perse o danneggiate) e, a maggior ragione, per la neurogenesi (la possibilità di generare nuovi neuroni che vadano a sostituire quelli persi).
Tuttavia, queste aspettative si scontrano con i limiti di cui sopra. Le capacità riparative sono in relazione con le potenzialità plastiche “normali” di ogni specie e di ogni parte del cervello, dettate dall’evoluzione. I pesci possono riparare i danni cerebrali grazie alla ricchezza di cellule staminali e alla capacità di riattivare programmi di sviluppo che consentono la rigenerazione. Nei mammiferi queste capacità sono andate perse, lasciando solo un range ristretto di possibilità. Esistono così scienziati che continuano a credere nel sogno della rigenerazione dei neuroni (il cui lavoro è prezioso, purché siano corretti nelle loro interpretazioni) e altri che si concentrano sul ruolo “fisiologico” della plasticità nel continuo sviluppo e adattamento dei circuiti cerebrali sulla base degli stimoli ambientali. Sta infatti emergendo che tale ruolo, oltre ad essere utile nelle fasi giovanili di “affinamento” del cervello, può avere un’importanza notevole nella prevenzione dell’invecchiamento cerebrale e dell’insorgenza di patologie neurologiche (Alzheimer, demenze senili). In altri termini, coltivare la plasticità nel corso della vita, sin da giovani, è un ottimo investimento per poter contare su un cervello più efficiente e sano a ogni età.

Luca Bonfanti

Luca Bonfanti insegna all’Università di Torino e svolge attività di ricerca all’Istituto di Neuroscienze NICO. Tra i primi in Italia a studiare la genesi di nuovi neuroni, ha lavorato in Francia e negli Stati Uniti. Per le edizioni Dedalo ha pubblicato L’enigma del neurone giovane.

copertina   marzo-aprile 2022

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