Plasticità sinaptica, periodi critici e competizione tra connessioni: quattro modelli sperimentali per capire come l’esperienza scolpisce i circuiti del cervello
I circuiti del sistema nervoso non sono strutture fisse, ma reti che si rimodellano in continuazione sotto l’effetto dell’attività elettrica e dell’esperienza. Questo progetto coordinato dalla Scuola Normale Superiore di Pisa studia i meccanismi cellulari e molecolari che permettono ai neuroni di modificare forza e numero delle loro connessioni sinaptiche, sia durante lo sviluppo sia nel cervello adulto.
La ricerca parte da un dato ormai consolidato: l’attività neuronale controlla l’efficacia delle sinapsi e guida la selezione delle connessioni più “vincenti”. In molti sistemi, le cellule bersaglio sono inizialmente innervate da più assoni e solo in seguito diventano monoinnervate. Il progetto vuole capire quali pattern temporali di scarica favoriscono la stabilizzazione di alcune sinapsi e l’eliminazione delle altre, e attraverso quali segnali intracellulari l’impulso elettrico viene tradotto in cambiamenti anatomici e funzionali.
Un obiettivo chiave è definire il ruolo del sincronismo degli input nella competizione sinaptica. Sulla giunzione neuromuscolare, ad esempio, verranno confrontati in vivo stimoli sincronizzati e asincroni su diversi nervi che innervano lo stesso muscolo, mantenendo costante il numero di potenziali d’azione. Questo permetterà di verificare in modo diretto se la perdita delle connessioni in eccesso è davvero guidata da scariche non sincrone tra assoni concorrenti.
Quattro modelli per un’unica domanda
Per capire se esistono principi comuni di plasticità, il programma utilizza quattro modelli sperimentali: giunzione neuromuscolare, cervelletto, corteccia somatosensoriale e corteccia visiva. In tutti questi sistemi la plasticità dipendente dall’attività è ben documentata, ma i passaggi cellulari e molecolari che collegano esperienza, attività elettrica e riorganizzazione delle mappe neurali restano in gran parte da chiarire.
Nel cervelletto, ad esempio, lo sviluppo del sistema olivo-cerebellare prevede una regressione dell’innervazione sovrannumeraria delle cellule del Purkinje da parte delle fibre rampicanti, processo che ricorda quanto avviene alla giunzione neuromuscolare. Confrontare questi due sistemi aiuta a capire quanto la competizione guidata dall’attività sia un “motore” generale del rimodellamento sinaptico.
Nelle cortecce sensoriali, invece, il focus è sui periodi critici in cui l’esperienza modifica mappe visive e somatosensoriali. Il progetto mira a identificare i fattori che aprono e chiudono queste finestre temporali, e le condizioni che potrebbero riattivare plasticità in età adulta, con ricadute su riabilitazione e recupero dopo lesioni.
Dalla sinapsi al comportamento
Lo studio integra analisi anatomiche, registrazioni elettrofisiologiche e manipolazioni controllate dell’attività nervosa. L’obiettivo è collegare i cambiamenti osservati a livello di sinapsi e circuiti con fenomeni di ordine superiore come apprendimento, memoria e adattamento funzionale. Comprendere meglio come l’attività elettrica modella la connettività potrebbe offrire nuove strategie per intervenire su patologie neurologiche, sfruttando la plasticità residua dei circuiti.
Nel complesso, il progetto punta a una mappa più precisa dei meccanismi che legano esperienza, attività e struttura delle reti neurali, gettando le basi per future applicazioni in ambito clinico e riabilitativo.