Il cervello consuma molta più energia di altri organi e, stranamente, rimane un divoratore di carburante anche quando i suoi neuroni non si scambiano segnali chiamati neurotrasmettitori. Ora i ricercatori della Weill Cornell Medicine hanno scoperto che il processo di confezionamento dei neurotrasmettitori potrebbe essere responsabile di questo consumo di energia.
Nel loro studio, riportato il 3 dicembre 2021 su Science Advances, hanno identificato minuscole capsule chiamate vescicole sinaptiche come una delle principali fonti di consumo di energia nei neuroni inattivi. I neuroni usano queste vescicole come contenitori per le loro molecole di neurotrasmettitore, che sparano da porte di comunicazione chiamate terminali sinaptici per segnalare ad altri neuroni. Il confezionamento dei neurotrasmettitori nelle vescicole è un processo che consuma energia chimica e i ricercatori hanno scoperto che questo processo, dal punto di vista energetico, è intrinsecamente permeabile, così permeabile che continua a consumare energia significativa anche quando le vescicole sono piene e i terminali sinaptici sono inattivi.
“Questi risultati ci aiutano a capire meglio perché il cervello umano è così vulnerabile all’interruzione o all’indebolimento della sua fornitura di carburante“, ha affermato l’autore senior, il Dottor Timothy Ryan, Professore di biochimica e biochimica in anestesiologia presso Weill Cornell Medicine.
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L’osservazione che il cervello consuma un’elevata quantità di energia, anche quando relativamente a riposo, risale a diversi decenni fa, agli studi sull’uso del carburante da parte del cervello negli stati comatosi e vegetativi. Questi studi hanno scoperto che anche in questi stati profondamente inattivi, il consumo di glucosio da parte del cervello scende tipicamente solo di circa la metà, il che lascia ancora il cervello come un consumatore di alta energia rispetto ad altri organi. Le fonti di quel consumo di energia a riposo non sono mai state completamente comprese.
Il Dr. Ryan e il suo laboratorio hanno dimostrato negli ultimi anni che i terminali sinaptici dei neuroni, escrescenze simili a gemme da cui sparano neurotrasmettitori, sono i principali consumatori di energia quando sono attivi e sono molto sensibili a qualsiasi interruzione della loro fornitura di carburante. Nel nuovo studio hanno esaminato l’uso del carburante nei terminali sinaptici quando non sono attivi e hanno scoperto che è ancora elevato.
Questo elevato consumo di carburante a riposo, hanno scoperto i ricercatori, è dovuto in gran parte al pool di vescicole nei terminali sinaptici. Durante l’inattività sinaptica, le vescicole sono completamente cariche di migliaia di neurotrasmettitori ciascuna e sono pronte a lanciare questi carichi utili che trasportano segnali attraverso le sinapsi ai neuroni partner.
Perché una vescicola sinaptica dovrebbe consumare energia anche a pieno carico? I ricercatori hanno scoperto che c’è essenzialmente una perdita di energia dalla membrana della vescicola, un “efflusso di protoni”, tale che uno speciale enzima “pompa protonica” nella vescicola deve continuare a funzionare e consumare carburante mentre lo fa, anche quando il la vescicola è già piena di molecole di neurotrasmettitore.
Gli esperimenti hanno indicato proteine chiamate trasportatori come probabili fonti di questa perdita di protoni. I trasportatori normalmente portano i neurotrasmettitori nelle vescicole, cambiando forma per trasportare il neurotrasmettitore, ma permettendo allo stesso tempo a un protone di scappare, mentre lo fanno. Il dottor Ryan ipotizza che la soglia di energia per questo mutamento di forma del trasportatore sia stata fissata a un livello basso dall’evoluzione per consentire una ricarica più rapida dei neurotrasmettitori durante l’attività sinaptica, e quindi un pensiero e un’azione più rapidi.
“Lo svantaggio di una capacità di caricamento più veloce sarebbe che anche fluttuazioni termiche casuali potrebbero innescare il cambio di forma del trasportatore, causando questo continuo consumo di energia anche quando nessun neurotrasmettitore viene caricato“, ha affermato.
“Anche se la perdita per vescicola sarebbe minima, ci sono almeno centinaia di trilioni di vescicole sinaptiche nel cervello umano, quindi il consumo di energia si sommerebbe davvero”, ha detto il Dottor Ryan.
La scoperta è un progresso significativo nella comprensione della biologia di base del cervello. Inoltre, la vulnerabilità del cervello all’interruzione della sua fornitura di carburante è un grave problema in neurologia e sono state notate carenze metaboliche in una serie di malattie cerebrali comuni tra cui l’Alzheimer e il morbo di Parkinson. Questa linea di indagine alla fine potrebbe aiutare a risolvere importanti enigmi medici e suggerire nuovi trattamenti.
“Un modo per ridurre in sicurezza questo consumo di energia e quindi rallentare il metabolismo del cervello, potrebbe avere un grande impatto clinico”, ha detto il Dottor Ryan.
Fonte: Science Advances
