Nell’età dello sviluppo il nostro cervello funziona come una spugna, perché è in grado di assorbire e immagazzinare velocemente qualsiasi informazione utile. Questa capacità è data dalla presenza di sinapsi silenti, ovvero sinapsi abbozzate capaci di maturare e di creare nuovi ricordi. Infatti, tutte le informazioni che memorizziamo nel corso della nostra vita sono immagazzinate a livello delle sinapsi.

Fino a oggi si pensava che le sinapsi silenti non fossero presenti nel cervello adulto, ma a novembre 2022 è stato pubblicato un articolo sulla rivista scientifica Nature che dimostra il contrario. Dimitra Vardalaki e i colleghi del MIT di Boston, negli Stati Uniti, hanno descritto sinapsi silenti nel cervello adulto che vengono reclutate per la formazione di nuovi ricordi. Per capire di cosa si tratta, dobbiamo fare un viaggio nel cuore del tessuto nervoso e descrivere il funzionamento della sua unità cellulare di base: il neurone.

La struttura del neurone

Ogni neurone è composto da un soma, il corpo cellulare contenente il nucleo, e da prolungamenti citoplasmatici: l’assone, che conduce il segnale nervoso verso le altre cellule, più lungo e coperto da mielina; e i dendriti, più corti e in grado di condurre il segnale nervoso dalle altre cellule al soma. I dendriti presentano all’estremità due tipi di protrusioni chiamate spine dendritiche e filopodia.

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All’interno del neurone avviene il passaggio di impulsi elettrici. L’impulso elettrico che viene trasferito attraverso l’assone ai dendriti di altre cellule neuronali è detto potenziale d’azione. Le zone di collegamento tra i neuroni, essenziali per la trasmissione dell’informazione tra due cellule nervose, sono dette sinapsi. È grazie alle sinapsi che i nostri neuroni riescono a comunicare e a creare il sistema di connessioni più complesso in natura.

Come funziona una sinapsi

Fu il premio Nobel per la medicina Charles Scott Sherrington a introdurre nel 1897 il termine «synapsis» per indicare il punto di contiguità e discontinuità tra due cellule nervose. Questa parola deriva dal greco e significa «collegamento». In natura esistono due tipi di sinapsi: sinapsi elettriche e sinapsi chimiche.

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Le sinapsi elettriche consentono il passaggio diretto dell’impulso elettrico tra due neuroni attraverso lo scambio di ioni. Il passaggio di ioni avviene grazie alla presenza di particolari gap junction, cioè giunzioni comunicanti. Ogni giunzione comunicante è formata da due emicanali chiamati connessoni, a loro volta formati da 6 proteine transmembrana dette connessine.

In base alla concentrazione degli ioni calcio e al pH, si aprono i connessoni e così i citoplasmi delle due cellule entrano in comunicazione, permettendo il flusso diretto di ioni e l’attivazione del potenziale d’azione nella seconda cellula. L’assenza di mediazione chimica rende la trasmissione sinaptica estremamente veloce e bidirezionale: l’impulso può essere cioè trasmesso in entrambe le direzioni, dal neurone trasmittente al ricevente e viceversa.

Le sinapsi chimiche, le più comuni nei vertebrati, sono più complesse ma più efficaci nella trasmissione dell’impulso, perché sfruttano molecole chimiche particolari chiamate neurotrasmettitori. In questo tipo di sinapsi possiamo individuare 3 elementi:

• il terminale o bottone presinaptico, cioè la parte finale dell’assone della cellula nervosa che trasmette l’impulso;
• lo spazio sinaptico, cioè lo spazio fisico presente tra le due cellule nervose, che varia tra i 20 e gli 80 nanometri;
• il terminale postsinaptico, cioè la porzione dendritica della cellula nervosa che riceve l’impulso.

A livello del terminale presinaptico i neurotrasmettitori vengono immagazzinati all’interno di vescicole. All’arrivo dell’impulso nervoso, le vescicole sinaptiche si fondono con la membrana presinaptica, riversando il neurotrasmettitore nello spazio sinaptico. Le molecole raggiungono la membrana postsinaptica, dove si legano a recettori o direttamente a canali ionici specifici. Il legame tra recettore e neurotrasmettitore scatena la risposta nel neurone postsinaptico. La trasmissione sinaptica, che ricordiamo essere unidirezionale, termina con la rimozione del neurotrasmettitore dallo spazio sinaptico.

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Cosa succede quando impariamo

Immaginiamo di paragonare la forza della comunicazione tra due sinapsi al volume di una conversazione. Quando i neuroni «parlano», lo fanno a volumi diversi: alcuni neuroni sussurrano, mentre altri gridano tra loro. L'impostazione del volume della sinapsi, chiamata forza sinaptica, non è fissa ma può cambiare. L’apprendimento si basa sull’aumento o la diminuzione di questa forza sinaptica rendendo le sinapsi più deboli o più forti.

Quando il cervello è in stato di veglia (cioè quando siamo svegli), ciascuna sinapsi è ripetutamente attivata, e quindi aumenta d’intensità. Durante il sonno i neuroni vanno invece incontro a una «riduzione di scala», durante la quale tutte le sinapsi di una rete neurale diminuiscono d’intensità della stessa percentuale: i cambiamenti più grandi si verificano tra le sinapsi più deboli, mentre quelle forti rimangono stabili permettendo così la continuazione dell’apprendimento e la formazione di nuovi ricordi. Il sonno è infatti il momento migliore per questo processo, perché i nostri neuroni sono in grado di comunicare senza interferenze provenienti dall’esterno.

Ovviamente i processi cognitivi e l’immagazzinamento delle memorie rendono unico ogni individuo, quindi richiedono l’attività integrata di molteplici circuiti cerebrali, da quelli che modulano le emozioni a quelli che controllano le azioni motorie.

Lo studio

Vardalaki e colleghi si sono concentrati sul meccanismo biologico alla base degli attuali modelli di plasticità sinaptica nell’adulto, in particolare su ciò che causa la formazione e la distruzione continua di sinapsi in varie zone del cervello. Lo studio ha rivelato che nei topi adulti i filopodia sono presenti in abbondanza, ovvero in circa il 30% di tutte le protrusioni dendritiche. Come abbiamo già osservato, i filopodia sono sottili estroflessioni dei dendriti e, insieme alle spine dendritiche, aumentano le ramificazioni di ogni singolo dendrite e quindi di ogni singolo neurone.

Nei filopodia è stata notata un’alta concentrazione di sinapsi silenti. L’esistenza di queste sinapsi in topi adulti può aiutare a spiegare come il cervello adulto sia in grado di formare continuamente nuovi ricordi e imparare nuove nozioni senza dover modificare le sinapsi e i collegamenti già esistenti. Lo studio del MIT si conclude delineando un nuovo modello di plasticità neurale in cui le sinapsi mature delle spine dendritiche memorizzano stabilmente le informazioni acquisite, mentre le sinapsi silenti nei filopodia mediano la rapida acquisizione di nuove informazioni.

Questi risultati dimostrano un nuovo meccanismo per il controllo della connettività sinaptica, che espande le capacità di apprendimento del cervello maturo, nonostante esso abbia già circuiti neurali consolidati. Il meccanismo di formazione di nuove connessioni non termina dunque una volta superata la giovinezza, ma continua per tutto il corso della vita, durante la quale, a tutti gli effetti, non perdiamo mai la capacità di imparare.

Anatomia del neurone (immagine creata dall’autrice con Biorender)

Gli step della trasmissione sinaptica (immagine creata dall’autrice con BioRender.com)

Illustrazione delle sinapsi elettriche e chimiche (immagine creata dall’autrice con BioRender.com)