Plasticità della mielina nel cervello adulto: substrato dell’apprendimento e della memoria?

22 luglio | Giornata mondiale del cervello

Plasticità della mielina nel cervello adulto:
substrato dell’apprendimento e della memoria?

Nel corso della nostra vita, le nuove esperienze e l’apprendimento modellano continuamente i nostri circuiti neuronali per formare nuovi ricordi. La plasticità dei neuroni e delle sinapsi, le strutture attraverso cui i neuroni si “parlano”, ha avuto molta attenzione per decenni, ma ora sappiamo che anche le cellule non neuronali - e in particolare gli oligodendrociti e la mielina - rispondono agli stimoli che riceviamo dall’esterno e contribuiscono a modificare i circuiti nervosi, svolgendo un ruolo cruciale in apprendimento e memoria.

In occasione della giornata mondiale del cervello, la nostra ricercatrice Enrica Boda - del gruppo NICO di Fisiopatologia delle Cellule Staminali Cerebrali - ci racconta qui la storia, i protagonisti e i risultati di queste ricerche.

Nuove forme di plasticità

La capacità del cervello di adattarsi all'esperienza è considerata la chiave dell'apprendimento e della memoria.
Per decenni si è ritenuto che il substrato biologico di questi cambiamenti fossero esclusivamente modificazioni strutturali e funzionali dei neuroni e delle loro connessioni. Negli ultimi anniè stata messa in luce, però, una nuova forma di plasticità nel sistema nervoso centrale, a carico della mielina – la guaina lipidica che riveste gli assoni dei neuroni e che permette la conduzione dei segnali nervosi ad alta velocità – e delle cellule che la producono, gli oligodendrociti.

L’importanza dell’esposizione a stimoli ed esperienze sociali positive

Nel cervello dell’uomo e di molti mammiferi, la maggior parte della mielina è prodotta durante la vita neonatale e l’infanzia. In queste fasi della vita, l’esposizione a stimoli e esperienze sociali positive (o, purtroppo, anche negative) ha effetti evidenti sulla tempistica e sulla distribuzione della deposizione della mielina nel cervello dei bambini.

Alcuni celebri lavori scientifici hanno osservato una correlazione fra l’integrità della sostanza bianca dei cervelli dei bambini e l’abitudine alla lettura o il numero di ore di esercizio al pianoforte. Gli studi hanno evidenziato come alcune aree cerebrali dei bambini “good readers” sono più mielinizzate – e quindi più “mature” – rispetto alle medesime aree nei bambini “poor readers”. 
Ndr: la buona notizia è che quando i “poor readers” diventano “good readers” la mielina viene depositata velocemente e i cervelli dei due gruppi di lettori diventano indistinguibili.

Riferimenti bibliografici:
Altering Cortical Connectivity: Remediation-Induced Changes in the White Matter of Poor Readers | Science Direct
Extensive piano practicing has regionallys pecific effects on white matter development | Nature Neuroscience

Nella stessa linea di pensiero, un recentissimo lavoro ha messo in luce una correlazione fra il livello di mielinizzazione delle aree del linguaggio di bambini di 2-3 anni e l’ambiente “verbale” in cui questi vivono (quanto viene parlato loro, con quale varietà e numero di parole, etc. Language Exposure and Brain Myelination in Early Development | Journal of Neuroscience (jneurosci.org)). In modo complementare e opposto, purtroppo, la condizione di neglect o isolamento dei bambini che hanno vissuto in alcuni istituti di accoglienza in Paesi dell’Est durante gli anni ’80, è stata associata a una minor integrità della loro sostanza bianca (EarlyAdverseExperiences and the Developing Brain | Neuropsychopharmacology - nature.com).

Dal punto di vista neurobiologico, il substrato di questa maggior o minor deposizione di mielina nel cervello in via di sviluppo consiste in cambiamenti “attività-dipendenti” della sopravvivenza/proliferazione e della velocità di maturazione di cellule non-neuronali chiamate oligodendrociti.

Distribuzione della mielina (myelin basic protein, in rosso) nel cervello di topo adulto. Gli strati superficiali della corteccia cerebrale appaiono poco mielinizzati. Questo è il territorio in cui può depositarsi nuova mielina, in risposta ad esperienze sociali, stimoli sensoriali e vari tipi di apprendimento durante la vita adulta. In blu si vedono i nuclei delle cellule presenti nel tessuto cerebrale.

Un po' di storia: i pionieri degli studi sulle cellule gliali

I lavori pionieri che hanno dimostrato che l’attività elettrica dei neuroni potesse influenzare la biologia degli oligodendrociti risalgono alla metà degli anni ’90 e sono stati svolti nei laboratori di Catherine Lubetzki e Boris Zalc a Parigi (Induction of myelination in the centralnervous system by electrical activity. | PNAS) e di Martin Raff a Londra (Proliferation of oligodendrocyte precursor cells depends on electrical activity in axons | Nature).

Il primo autore di quest’ultimo lavoro è un giovane Ben Barres (anzi, all’epoca, Barbara Barres; 1957-2017), uno dei “padri fondatori” dello studio delle cellule gliali, nonché uno dei primi scienziati apertamente transgender e grande promotore della gender equality e delle carriere dei giovani scienziati nell’Accademia (Ben Barres (1954–2017) (nature.com)). Per una trattazione più estesa della vita, degli studi e dell’attività di advocacy di questa figura così speciale vi rimandiamo alla sua autobiografia (The Autobiography of a Transgender Scientist | Books Gateway | MIT Press), ai suoi commentaries (Does gender matter? | Nature ; Stop blocking postdocs’ paths to success | Nature; How to Pick a Graduate Advisor - ScienceDirect ) e ai celebri discorsi disponibili online (Ben Barres (Stanford) 2: Women in Science - YouTube).

Anche la mielina è plastica

Tornando alla mielina, storicamente, questa è sempre stata sempre considerata una struttura permanente e stabile, ma esperimenti recenti hanno sconfessato questa idea e dimostrato la produzione di nuovi oligodendrociti e la deposizione ex-novo o il rimodellamento della mielina durante l’intero arco della vita dell’individuo. Queste evidenze, combinate con l'osservazione che molti assoni nella corteccia cerebrale dei mammiferi rimangono parzialmente mielinizzati in età adulta, indicano che esiste una grande finestra all'interno della quale fattori esterni possono influenzare il grado di mielinizzazione degli assoni – e quindi l’efficienza e la velocità con cui i segnali nervosi viaggiano da un neurone all’altro nel nostro cervello.

In effetti, esperimenti sull’uomo e su modelli sperimentali dimostrano che, anche durante la vita adulta, la manipolazione dell'esperienza sensoriale o sociale dell’individuo¹, vari tipi di training motorio (es. l’apprendimento di esercizi di giocoleria o di compiti motori complessi²; e l’apprendimento spaziale (es. imparare ad orientarsi in labirinti reali o virtuali³) influiscono sul pattern di mielinizzazione in aree cerebrali specifiche.

A titolo puramente aneddotico, fra questi lavori ricordiamo:
Acquisition of Paleolithic toolmaking abilities involves structural remodeling to inferior front o parietal regions | SpringerLink, in cui gli sperimentatori - per supportare l’idea che l’acquisizione di alcune abilità tecniche abbia contribuito all’evoluzione “strutturale” del cervello umano - hanno sadicamente sottoposto 6 poveri volontari a un protocollo di training della durata di 18 mesi per addestrarli all’utilizzo di strumenti utilizzati dall’uomo del Paleolitico e analizzare la struttura della sostanza bianca del loro cervello in relazione al numero di ore di addestramento (ndr: un esempio che vi farà fare una splendida figura in un certo tipo di cene o consessi sociali).

La plasticità della mielina e i deficit di apprendimento e memoria

Il fatto che la plasticità della mielina non avvenga a caso o in modo diffuso in tutto il cervello, ma sia altamente specifica (cioè coinvolga solo alcuni tipi di assoni in specifiche aree cerebrali) ha fatto ipotizzare un suo ruolo nelle modificazioni “attività-dipendenti” di specifici circuiti nervosi e nelle funzioni cerebrali connesse al funzionamento di questi circuiti. In accordo con questa idea, gli approcci sperimentali che “impediscono” la plasticità della mielina risultano in deficit di apprendimento e memoria di diverso tipo (motoria, emotiva, etc. Motor skill learning requires active central myelination | Science; Preservation of a remote fear memory requires new myelin formation | Nature Neuroscience) in modelli animali.

Quali siano i meccanismi sottesi al ruolo della plasticità della mielina in queste funzioni cognitive rimane un’area di indagine attiva e in espansione.

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Riferimenti bibliografici
1 Four-month enriched environment prevent smyelinated fiberloss in the white matter during normal aging of male rats | SpringerLink; 
   Impaired adult myelination in the prefrontal cortex of socially isolated mice | Nature Neuroscience

² Training induces changes in white-matter architecture | Nature Neuroscience; 
  Dynamic Properties of Human Brain Structure: Learning-Related Changes in Cortical Areas and Associated Fiber Connections | Journal of Neuroscience (jneurosci.org); 
  Motor Skill Learning Induces Changes in White Matter Microstructure and Myelination | Journal of Neuroscience (jneurosci.org)

³ Short-Term Learning Induces White Matter Plasticity in the Fornix | Journal of Neuroscience (jneurosci.org); 
  Diffusion MRI of Structural Brain PlasticityInduced by a Learning and Memory Task | PLOS ONE