07:05 22 Novembre 2019
Le lumache

Una dieta per la memoria: Russia scopre come funziona il cervello

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Alcuni scienziati russi stanno conducendo un esperimento su larga scala che studia la memoria a lungo termine con l’obiettivo di trovare alcune sostanze note come regolatori di geni.

Con l’aiuto di questi ultimi sarebbe possibile regolare le funzioni del cervello. Il professor Pavel Balaban, corrispondente dell’Accademia russa delle scienze e direttore scientifico di neurofisiologia dell’Institute of Higher Nervous Activity presso la RAN, ha illustrato a Sputnik le prospettive mediche di questo studio.

Lumache del XX secolo

Alla metà del secolo scorso gli animali preferiti dei biofisici come cavie erano i molluschi. Infatti, solo nei molluschi è possibile osservare le cellule nervose a occhio nudo senza microscopio. Il diametro di un neurone raggiunge i 2 mm, il suo spessore è invece di 1 mm e non 1-2 micron come nell’uomo. All’interno della cellula nervosa di un mollusco si possono inserire fino a 7 elettrodi.

I molluschi di terra sono considerati una sorta di intellettuali fra gli invertebrati: hanno riflessi condizionati piuttosto sviluppati, apprendono con facilità soprattutto se accade loro qualcosa di spiacevole. Gli scienziati lo definiscono rinforzo negativo.

“Se una lumaca viene colpita da una scossa di corrente in una determinata situazione, ad esempio quando striscia su una pallina, non ci ritornerà più. Se le facciamo annusare un odore, gira a sinistra. Se invece ne annusa un altro, gira a destra. Compiono queste azioni lentamente ma in maniera convinta”, spiega Pavel Balaban.

Nel cervello umano vi sono miliardi di neuroni, mentre ai molluschi ne bastano 20.000. Le loro capacità cognitive indicano un’elevata plasticità cerebrale e, dunque, anche mnemonica. Questo gruppo di organismi si formò molti milioni di anni prima dei vertebrati ed è sopravvissuto fino ai giorni nostri in larga misura grazie a buoni meccanismi di adattamento, fra i quali fondamentale è stato l’uso della memoria.

“Negli anni ’70 pensavamo che, studiando l’attività di ogni neurone del cervello di una lumaca, avremmo capito come funziona la rete neuronale. Il record è stato registrare un’attività improvvisa di 1.200 neuroni. Sembra paradossale, ma questo approccio ha dato pochi frutti”, continua il professore.

Negli ultimi vent’anni l’interesse per i molluschi è calato. È stato appurato che il loro genoma è tre volte più grande di quello dell’uomo. Per questa ragione non è stato ancora decodificato nonostante gli ingenti finanziamenti al progetto. Tuttavia, senza una descrizione, seppur formale, dell’intero genoma di un organismo è difficile fare progressi.

La molecola della memoria

“Vogliamo capire come si regola la memoria genetica”, si propone il professor Balaban.

L’obiettivo non è scoprire un qualche gene della memoria o un gruppo di geni simili. Questo sarebbe parecchio difficile. Sebbene sia stata trovata una molecola della memoria.

Va detto che si tratta di dati conservati nel cervello per più di un giorno, ovvero di memoria a lungo termine. Ad oggi non è chiaro in che modo questa memoria venga codificata all’interno della rete dei nervi, cosa che permette ai neuroni di ricordare le informazioni per giorni, settimane, anni. Tutti i sistemi biochimici nell’organismo si rinnovano ogni 4-8 ore, le proteine vivono per 2-3 giorni, poi si disgregano e se ne formano di nuove.

“Il metabolismo è un processo continuo. Ma allora com’è possibile che qualcosa venga conservato per decine di anni nel cervello? Questo è un grande mistero”, constata Pavel Balaban.

Si è riusciti a stabilire solamente il legame con la sintesi proteica. Questo fenomeno può essere spiegato da due ipotesi fondamentali. Secondo la prima, il ruolo principale è svolto dai prioni, ovvero proteine a conformazione anomala. Queste sono in grado di infettare le proteine convenzionali. Il processo si rigenera in automatico, sui neuroni interessati i prioni lasciano un segnale per indicare che qualcosa si è verificato.

In luogo dei prioni può operare con lo stesso risultato un fermento che nei neuroni regola il trasporto delle proteine le quali assicurano la memoria nel contatto fra neuroni (sinapsi).

L'Alzheimer
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L’elemento che più si confà a questo ruolo è la protein-chinasi M-zeta.

“Queste molecole vengono sintetizzate direttamente nell’area sinaptica del neurone e gestiscono un certo numero di recettori proteici. Il rapporto è semplice: più molecole di fermento ci sono, più recettori ci saranno e meglio funzioneranno le sinapsi. Le proprietà della protein-chinasi M-zeta sono incredibili: questa, ad esempio, avvia la propria sintesi tramite un sistema proteico. Se per qualche ragione ve ne fossero dieci volte di più, la sintesi si farebbe più attiva e tale rimarrebbe per tutta la vita in quella data posizione. E questo è l’ennesimo indicatore del fatto che qualcosa è cambiato e si conserverà a lungo”, spiega lo scienziato.

I geni curano la memoria

La protein-chinasi M-zeta è stata scoperta negli anni ’90 nelle lumache e poi nei vertebrati. È stato appurato che è presente in quasi tutti gli animali: dai lombrichi all’uomo. Sorprende che questa molecola nell’uomo sia simile per il 90% a quella della lumaca.

“Non sappiamo ancora molto su questa molecola. Ma è già chiaro, ad esempio, come cancellare la memoria. Basta eliminare questo fermento dai neuroni. Questo è stato provato in maniera sperimentale su topi knockout nei quali la sintesi era stata bloccata. Faticano a ricordare e ad apprendere, ma vivono comunque in maniera normale. Dunque, tale molecola non ha altre funzioni se non quella di regolare la plasticità cerebrale”, spiega Balaban.

Lo scienziato e i suoi colleghi hanno verificato su colture di neuroni di cavie in che modo venisse sintetizzata la protein-chinasi M-zeta sotto l’azione di fattori epigenetici, ovvero vari segnali molecolari che si agganciano al DNA della cellula e modificano l’attività dei singoli geni senza tuttavia introdurre alcuna mutazione nella sequenza. I risultati dell’esperimento sono stati pubblicati quest’anno nei Scientific reports.

Questo indirizzo di ricerca al momento lascia ben sperare. Gli scienziati si augurano che l’epigenetica possa contribuire a lottare contro gravi patologie come il diabete e alcune tipologie di cancro. Pavel Balaban prevede l’elaborazione di farmaci totalmente nuovi volti alla riabilitazione di soggetti affetti da Alzheimer, Parkinson, demenza e di soggetti colpiti da infarto.

La chiave della dieta curativa

L’epigenetica è meglio della riscrittura del genoma dopo la quale possono verificare conseguenze isolate fino anche alla comparsa di neoplasie, sostiene il professor Balaban.

“Idealmente vorremmo studiare la riscrittura epigenetica, ovvero agire sull’attività genica senza modificare il DNA. Nel mondo ad oggi non sono stati elaborati nemmeno dei protocolli di laboratorio di questa procedura per le cellule nervose”, precisa.

Dunque, vi sono problemi ad ogni fase del processo: dalle grandi dosi di regolatori con cui sarà necessario avere a che fare (e alcuni essi sono tossici) fino alla definizione delle singole fasi del processo. In Russia questi studi sulle cellule nervose sono coordinati dal gruppo di Pavel Balaban. Inizialmente questi scienziati operavano sui molluschi, mentre ora sui roditori il cui genoma è stato decodificato completamente.

Uno dei regolatori non tossici è il butirrato di sodio. Si tratta di un composto organico semplice, un sale di acido butirrico: 4 atomi di idrogeno e residui acidi. Il nostro organismo riceve questo regolatore dal burro e dai cibi ricchi di fibre. Tramite il sangue il butirrato di sodio attraversa la barriera ematoencefalica passando dall’intestino al cervello e da qui fino nei neuroni. Gli scienziati sono fermamente convinti che le sue molecole blocchino l’istone deacetilasi (un fermento proteico controllato dai geni) e in tal modo attivino determinati filamenti di DNA responsabili della memoria.

“Abbiamo scoperto la sua azione in maniera casuale. Avevamo delle lumache che apprendevano con difficoltà. Solitamente le separiamo e le osserviamo. Ma quella volta insegnammo loro alcune cose, facemmo un test e inoculammo del butirrato di sodio. Dopo due giorni ripetemmo i test e scoprimmo che gli animali avevano ricordato tutto ciò che avevamo loro insegnato”, racconta lo scienziato.

Il butirrato di sodio non è considerato un regolatore specifico, poiché ha un’ampia gamma di funzioni all’interno dell’organismo.

“Attivando in maniera indiscriminata l’espressione genica, per qualche ragione agiamo sui geni della plasticità cerebrale. Non abbiamo riscontrato effetti negativi. Al momento stiamo terminando gli esperimenti sulle cavie e stiamo cercando un modello di patologia da provare a correggere. Si deve trattare di animali con una patologia irreversibile o a uno stadio precoce la quale colpisce la memoria”, afferma.

Gli scienziati vorrebbero mettere a punto un farmaco o un integratore alimentare in grado di riabilitare i pazienti colpiti ad esempio da infarto.

“È possibile semplicemente modificare la dieta perché il butirrato di sodio possa essere impiegato in maniera naturale nella cura insieme al cibo. Questo ci fa subito pensare al concetto di “alimentazione completa” ai tempi dell’Unione Sovietica: infatti, alla zuppa d’avena (fonte di fibre) si aggiungeva sempre una noce di burro. Se si mangia troppa carne senza integrare con le fibre, pare che diminuiscano le capacità intellettive”, spiega Pavel Balaban.

Tuttavia, non sarà possibile “pompare” il cervello con il butirrato di sodio. Un organismo sano non reagisce in alcun modo a questa sostanza per quanto ne venga a contatto. Ad ogni modo, questo è stato dimostrato su lumache e roditori. Un’altra faccenda è quando si è in presenza di una patologia in cui al cervello si richiede di incrementare la plasticità perché le funzioni delle cellule danneggiate vengano trasferite su quelle sane.

“I medici riportano molti esempi di riabilitazione di successo in cui il funzionamento del cervello è stato ristabilito grazie alla connessione di alcune sue aree”, sottolinea il ricercatore.

Un’alternativa alla riscrittura genica

Gli scienziati volevano brevettare la propria scoperta, ma è stato appurato che negli USA esistevano già alcuni brevetti sul butirrato di sodio e su altre sostanze semplici con azione analoga sulla memoria. Per alcune furono anche condotti test clinici, ma dopo il 2012 le pubblicazioni sulla stampa sono quasi del tutto scomparse.

“O hanno segretato questi lavori, oppure qualcosa è andato storto”, sostiene lo scienziato. Gli esperimenti di epigenetica della memoria sono molto lunghi, complessi e costosi. Servono locali sterili, colture di cellule appositamente allevate, cavie da laboratorio di una data età, strumentazione all’avanguardia, reagenti costosi, sequenziatori di ultima generazione. Questo settore si sta sviluppando molto velocemente per via dei grandi vantaggi pratici che si prospettano.

“L’epigenetica è il futuro della medicina”, questo il titolo di una delle slide che Balaban ha proiettato a una delle sedute della RAN a cui ha partecipato Veronika Skvortsovaya, ministra russa della Sanità.

Ma la cosa più importante per ogni scienziato è chiaramente la risoluzione di problemi fondamentali: come funziona la memoria a lungo termine e come si gestisce.

“Sappiamo in quali aree del cervello vengono conservati i ricordi. Ad esempio, la memoria situazionale è nell’ippocampo e dopo 21 giorni si sposta nella corteccia. Ma nessuno ne conosce i dettagli. Scoprire il funzionamento del cervello è la grande missione del XXI secolo. In nessun’altra scienza è rimasto un numero così grande di domande aperte. Per non parlare poi del problema della coscienza al quale ancora dobbiamo arrivare. Questo è quello di cui si occuperà la nuova generazione di scienziati”, chiosa Balaban.

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cervello, Animali
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