Plasticità neuronale

MECCANISMI MOLECOLARI
MEMORIA PROCEDURALE/IMPLICITA
APLYSIA:
VANTAGGI:
•Sistema nervoso semplice
•Poche e grosse (1 mm) cellule
riconoscibili (20.000)
MEMORIA PROCEDURALE
Priming
Motorie
Apprendimento
(abilità,abitudini)
associativo
Apprendimento
non associativo
(percettivo)
Memoria percettiva:
ABITUDINE
Retrazione della branchia
Riflesso controllato da:
6 neuroni motori
8 neuroni sensoriali
Diminuzione dell’EPSP e della contrazione
glutamate
Potenziale sinaptico
• A seconda del numero delle sessioni di
training, la durata della depressione
postsinaptica può variare da alcuni minuti ad
alcuni giorni.
• In ogni caso l’abitudine (ridotta retrazione
dell’organo respiratorio) dura quanto la
depressione postsinaptica
Posso valutare le variazioni
biochimiche e strutturali della
sinapsi
?
IPOTESI DI LAVORO
TECNICHE?
ABITUDINE: comporta
depressione sinaptica
Analizzo la struttura della sinapsi:
• non cambia il numero di recettori postsinaptici
(Recettori per il glutammato)
• non cambia il numero totale di vescicole
• cambia il numero di vescicole appoggiate alla
membrana presinaptica e pronte per la
fusione
=> ALTERAZIONI NEL PRESINAPTICO
La memoria a breve termine nell’abitudine è dovuta a un diminuito rilascio
di vescicole contenenti glutammato a livello presinaptico
(minore mobilizzazione delle vescicole verso la zona attiva)
A
La memoria a breve termine nell’abitudine è dovuta a un diminuito rilascio
di vescicole contenenti glutammato a livello presinaptico
(minore mobilizzazione delle vescicole verso la zona attiva)
L’abitudine può durare anche per alcuni giorni
(abitudine a lungo termine)
A lungo termine si assiste ad una diminuzione
nel numero delle sinapsi tra neuroni
sensoriali e motori
?
I neuroni sensoriali di habituated animals
Hanno 35% meno terminazioni presinaptiche
La memoria è “conservata” direttamente nel circuito
Memory storage
• Questi esperimenti dimostrano che la
memoria non dichiarativa non dipende da
neuroni specializzati per immagazzinare
informazioni, ma si forma nei neuroni a
livello delle sinapsi del circuito interessato
Sensibilizzazione
• Il medesimo circuito partecipa alla
conservazione di diverse memorie
• Le sinapsi in gioco possono essere depresse
o facilitate
La ’’Sensibilizzazione” comporta facilitazione del rilascio di
neurotrasmettitore a livello della connessione tra neurone
sensoriale e motore
Mediato da interneurone modulatorio:
rilascio di serotonina
• Il medesimo circuito può partecipare alla
conservazione di memorie diverse:
abitudine o sensibilizzazione. Nel primo
caso la sinapsi viene depressa
omosinapticamente, nel secondo facilitata
eterosinapticamente
Quali le molecole coinvolte
intracellularmente?
Serotonina
5-HT
Trasduzione
Neurone
sensoriale
Amplificazione
Effetto
L’aumento dell’EPSP coincide con quello di cAMP
sensoriale
Iniezione di PKA
Induce aumento rilascio
neurotrasmettitore
La sensibilizzazione coinvolge la facilitazione presinaptica
Quali i bersagli della PKA?
Come varia il rilascio di neurotrasmetittore?
• Canale al K
voltaggio
dipendente
(chiusura)
• Canale al Ks
chiuso da cAMP
• sinaptofisina
Recettori del
glutammato
• Il meccanismo di conservazione della
memoria non si è evoluto tramite la
formazione di nuove molecole specializzate
ma ha cooptato un efficiente sistema di
trasduzione del segnale utilizzato per altri
scopi in altre cellule
MECCANISMO A LUNGO TERMINE
Anche la sensitizzazione comporta cambiamenti nel numero e nelle
dimensioni dei contatti sinaptici a lungo termine
Memoria a lungo termine e genetica
molecolare
• La comprensione della memoria a lungo
termine mette in relazione la psicologia
cognitiva
Quali le molecole
coinvolte?
La serotonina deve regolare l’espressione genica per modificare
La struttura sinaptica (duplice funzione)
Ripetute stimolazioni con serotonina causano la
traslocazione di PKA nel nucleo e l’attivazione di MAPK
NUCLEO
MAPK
MAPK trasloca nel nucleo
5 PULSE 5HT
Quali i target di PKA e MAPK (fosforilazione) nel nucleo?
•Fattori di
trascrizione
CREB1 (PKA)
•Repressore
CREB2 (MAPK)
Quali i geni precoci trascritti?
•Ubiquitina idrolasi
(degrada subunità regolativa di PKA)
•Fattore di trascrizione C/EBP
Dimostrazione del ruolo di CREB-1
• Viene sintetizzato un pezzo di DNA che ha
la sequenza CRE che normalmente lega
CREB-1
• Il DNA viene iniettato nel nucleo del
neurone sensoriale di Aplisia
• La maggior parte di CREB-1 si lega al CRE
iniettato
• La memoria a lungo termine è bloccata
Dimostrazione del ruolo di CREB-2
• CREB-2 repressore (inibisce l’azione di
CREB-1)
• inibendolo è più facile passare a memorie a
lungo termine
• Una sola esposizione a serotonina ora
induce memoria a lungo termine
L’immagazzinamento a
lungo termine della
memoria
implicita coinvolge
cAMP-PKA-MAPKCREB
Duplice controllo:
inibitorio CREB2
Attivatorio CREB1
comporta cambiamenti
strutturali delle sinapsi
consolidamento
• Attivazione di CREB-1 e sintesi proteica
• Fase bloccabile da inibitori della sintesi
proteica o da traumi
• Proteine precoci:ubiquitina idrolasi, C/EBP
regolatore della trascrizione
A lungo termine: modificazioni del compartimento pre- e postsinaptico
Come? ad opera di quali molecole?
rigenerazione
accumulo di mRNA
per componenti citoscheletriche
e per translational machinery
mRNA espressi
nei processi di
neuroni sensoriali
e tradotti durante
la fase tardiva
Come un evento nucleare modifica
una particolare sinapsi e non tutte?
•
•
•
•
•
•
Eventi locali
Synaptic tagging
Sintesi proteica locale
Attivazione di mRNAs silenti
CPEB proteina capace di attivare mRNAs
Serotonina aumenta CPEB
Alterazioni nella localizzazione
di molecole di adesione
Glycosyl-phosphatidylinositol
Il condizionamento che implica una modificazione della
ASSOCIAZIONE tra STIMOLI è noto come
CONDIZIONAMENTO CLASSICO
SI
RI
RC
SN/SC
FUNZIONE: L’animale impara a prevedere gli
eventi che si verificheranno
Suono-soffio
Cervelletto e il Riflesso d’ammiccamento
•Verme del cervelletto e nucleo
interposto sono fondamentali per
la risposta condizionata
• Il cervello negli animali ha evoluto
meccanismi neuronali per riconoscere
eventi che prevedibilmente accadono in
modo consecutivo e per distinguerli da
eventi non correlati tra loro
Condizionamento classico:
Retrazione della branchia più evidente e duratura
3 gruppi di animali
Tocco
scossa
Dopo il training un tocco aveva
Effetti diversi nei tre gruppi
• Per questo condizionamento classico in
aplisia si deve supporre che lo stimolo
condizionato (tocco) e quello non
condizionato(scossa) convergano sul
medesimo neurone
• Si può spiegare questo tipo di
apprendimento associativo a livello
cellulare?
• Negli stessi circuiti analizzati per
l’abitudine e la sensibilizzazione?
• SI
US
CS
• Il neurone sensoriale rilascia più
glutammato come nella sensibilizzazione
• Ma il neurone modulatorio (scossa) deve
attivarsi subito dopo l’attivazione del
neurone sensoriale (tocco)
• C’è anche una componente post sinaptica
FACILITAZIONE
PRESINAPTICA
Complesso
Più attivo
Alla successiva
Stimolazione
Da serotonina
• Prima l’adenil ciclasi deve essere innescata
dal complesso Ca-calmodulina, questo
dipende dall’attività del neurone sensoriale
(stimolo condizionato (leggero)
• Poi attivazione dell’adenil ciclasi dalla
serotonina rilasciata dal neurone
moduladorio (scossa)
FACILITAZIONE POSTSINAPTICA
• Questi studi sul condizionamento classico
in aplisia mostrano un ulteriore aspetto di
una singola sinapsi e mostrano che forme
complesse di apprendimento associativo e
memoria utilizzano meccanismi elementari
di plasticità sinaptica che avvengono a
livello pre o post sinaptico come fossero
una sorta di alfabeto cellulare
Quanto è conservato il pathway
cAMP-PKA-MAPK-CREB?
DROSOFILA
Condizionamento Classico
normali
mutanti
• I mutanti dunce hanno una memoria a breve termine
anomala e mutazione nel gene che codifica la
fosfodiesterasi che distrugge cAMP
• I mutanti rutagaba sono carenti di adenilato ciclasi
• Amnesic non hanno un regolatore che stimola l’adenilato
ciclasi
• I mutanti DCO hanno un difetto nella subunità catalitica
della PKA
• Questi dati indicano che i meccanismi biochimici della
• Memoria sono piuttosto generalizzati
Modello in drosofila
Dunce: FosfodiesterasiRutabaga: CaCalmodulina dep
Adenilato ciclasiAmnesiac: trasmettitore
peptidico-agisce
sull’adenilato ciclasi
DCO/PKA-R1: subunità
catalica PKA