cervello, sviluppo del

cervello, sviluppo del

Ruolo dell’attività elettrica

Dopo il periodo iniziale, in cui gli eventi della proliferazione, della migrazione e del differenziamento cellulare sono rigidamente controllati da programmi genetici, le fasi successive dello sviluppo cerebrale per compiersi con precisione dipendono dall’attività elettrica nervosa.

Ruolo permissivo e ruolo istruttivo dell’attività elettrica

Un’importante questione aperta è se l’attività nervosa abbia un ruolo istruttivo o permissivo, cioè se sia il pattern specifico di attività neurale prodotta spontaneamente dal cervello o evocata dalla stimolazione sensoriale a essere responsabile dello stabilirsi della precisa morfologia del cervello (ruolo istruttivo), o se la presenza di un sufficiente livello di attività neurale faccia da semplice attivatore di programmi di sviluppo che sono invece regolati da fattori diversi, per es. di tipo molecolare (ruolo permissivo). La distinzione tra ruolo istruttivo e ruolo permissivo dell’attività neurale richiede di manipolare i circuiti inducendo cambiamenti nel contenuto dell’informazione portata dall’attività stessa senza interferire con i livelli medi di attivazione, un requisito assai difficile da ottenere. In uno dei pochi esperimenti in letteratura nel quale un puro cambiamento dello schema statistico di attività neurale è risultato capace di modificare l’arrangiamento finale delle connessioni nervose (pubblicato da Michael Weliky e Lawrence C. Katz nel 1997), è stato riportato che l’alterazione del pattern di attività afferente mediante stimolazione cronica del nervo ottico altera la rappresentazione corticale dell’orientamento degli stimoli visivi. La maggior parte degli autori, invece, ha dimostrato un ruolo prevalentemente permissivo dell’attività elettrica afferente. Nella retina del feto dei vertebrati salve di potenziali d’azione cominciano a produrre attività afferente spontanea ben prima dell’inizio dell’esperienza sensoriale, propagandosi in forma di onde denominate retinal waves e identificate per la prima volta da Lamberto Maffei. Questi treni di attività sono prodotti da popolazioni vicine di cellule gangliari retiniche e hanno un ruolo cruciale nella formazione delle mappe retinotopiche e nella segregazione degli input provenienti dai due occhi a livello talamico. A oggi (2010), non è ancora noto con certezza se le retinal waves abbiano un ruolo istruttivo o permissivo. Uno studio condotto dal gruppo di Carla Shatz ha dimostrato che l’incremento artificiale della loro frequenza in un occhio induce, nel talamo, l’allargamento dello strato corrispondente all’occhio trattato. Poiché il trattamento impiegato introduce uno sbilanciamento nell’attività dei due occhi, lo studio non chiarisce se è il preciso pattern temporale di attività retinica a dirigere la segregazione delle connessioni oculari. Sorprendentemente, l’assenza dell’attività correlata delle retinal waves ottenuta trattando la retina con un’immunotossina che distrugge la popolazione di cellule colinergiche responsabili della loro generazione, non impedisce una normale segregazione degli input provenienti dai due occhi a livello del talamo, mentre il blocco completo dell’attività spontanea mantiene i due set di input separati. Questo risultato suggerisce un ruolo puramente permissivo dell’attività nervosa retinica (come sostenuto da Andrew D. Huberman nel 2003). Più recentemente, forti evidenze a favore del ruolo permissivo dell’attività elettrica nervosa derivano da studi sugli effetti dell’allevamento al buio nel roditore, un trattamento che arresta lo sviluppo della corteccia visiva. L’esposizione alla luce per brevissimi periodi di tempo è sufficiente per la riattivazione di programmi di sviluppo, consentendo di escludere un’azione di tipo istruttivo. Inoltre, gli effetti dell’allevamento al buio sono contrastati dalla sovraespressione nel cervello del fattore neurotrofico BDNF (Brain-Derived Neurotrophic Factor) o dall’esposizione a stimoli ambientali arricchiti (➔ ambiente e cervello), due trattamenti che non alterano in nessun modo l’esperienza visiva (e quindi il pattern di attività nervosa).

Attività elettrica e formazione delle colonne di dominanza oculare

L’attività elettrica ha anche un ruolo essenziale nella formazione delle colonne di dominanza oculare, suddivisioni anatomiche della corteccia visiva primaria deputate a raccogliere in modo separato le informazioni derivanti dai due occhi. Nel gatto, il blocco completo dell’attività afferente durante lo sviluppo previene la formazione delle colonne di dominanza oculare, dimostrazione classica della competizione fra l’attività dei due occhi per lo sviluppo corretto dell’anatomia corticale. L’importanza dei processi competitivi è anche dimostrata dal celebre esperimento di Roger Sperry nella rana, nella quale normalmente la regione del tetto riceve solo afferenze dalla retina del lato opposto; l’impianto sperimentale di un terzo occhio forza due retine a innervare un singolo tetto, con il risultato che in esso le connessioni provenienti dai due occhi si separano in strisce alternate di dominanza oculare. Se l’attività di un occhio viene silenziata, le strisce a esso corrispondenti vengono eliminate a favore di quelle che ricevono input dall’occhio del lato opposto; se invece entrambi gli occhi vengono silenziati, la separazione non si verifica. Non necessariamente, però, è l’attività evocata dall’esperienza sensoriale a dirigere questi processi. Nelle scimmie e nell’uomo, infatti, le afferenze talamocorticali appaiono perfettamente segregate già al momento della nascita. Anche in questo caso, l’attività nervosa che serve per l’instaurarsi dei meccanismi di competizione interoculare può essere portata dalle retinal waves o dall’attività spontanea dei due corpi genicolati. Alessandro Sale