Sinapsi

Le cellule nervose differiscono dalle altre cellule dell'organismo per la loro capacità di comunicare tra loro con estrema rapidità e spesso a notevoli distanze mediante i processi di conduzione dell'eccitamento e di trasmissione sinaptica. Tale caratteristica è fondamentale per il sistema nervoso, in quanto la sua funzione fondamentale coincide con il trasferimento e l'integrazione di informazioni provenienti dall'interno del corpo e dall'ambiente circostante. Il trasferimento di informazioni tra le cellule nervose è operato da molecole chimiche, i neurotrasmettitori, il cui messaggio viene riconosciuto dalla cellula ricevente e tradotto in risposte biologiche in corrispondenza di una struttura specializzata, detta sinapsi. Tutte le attività nervose, dalle più semplici attività riflesse alle funzioni superiori come apprendimento e memoria, dipendono dal trasferimento di informazioni tra cellule nervose e quindi dal numero di sinapsi e dall'efficienza di ciascuna sinapsi nel rilasciare neurotrasmettitore. La trasmissione sinaptica riveste quindi un ruolo chiave per comprendere il funzionamento del sistema nervoso. Numerose patologie neurologiche dipendono da alterazioni funzionali della trasmissione sinaptica, e le sinapsi rappresentano il principale bersaglio dei farmaci attivi sul sistema nervoso. Gli studi che negli ultimi anni hanno permesso di chiarire a livello molecolare la fisiologia della trasmissione sinaptica, e che stanno intensamente procedendo verso una completa descrizione dei meccanismi biochimici coinvolti, sono quindi di fondamentale importanza per le neuroscienze.

Dopo la dimostrazione, ad opera di S. Ramon y Cajal, del fatto che le cellule nervose sono entità individuali che si organizzano in contiguità, ma non in continuità, con altre cellule nervose a formare circuiti neurali, nel 1897 il fisiologo inglese Ch. Sherrington coniò per la prima volta il termine «sinapsi» (dal greco «abbracciare insieme») per rappresentare la zona di contatto tra la terminazione di un assone di un neurone e la sua cellula bersaglio. Se si considera che un neurone riceve e forma una media di 1000 connessioni sinaptiche e che nel cervello umano vi sono circa io" neuroni, si può calcolare che nel sistema nervoso vi siano circa 1014 sinapsi. I meccanismi alla base del funzionamento di questa miriade di sinapsi sono relativamente pochi e uniformi; tuttavia, la molteplicità di neurotrasmettitori rilasciati e di recettori coinvolti garantisce un'enorme varietà nelle risposte della cellula postsinaptica. Nonostante la notevole eterogeneità sia strutturale che funzionale, le sinapsi possono essere suddivise in due grandi classi; elettriche e chimiche. Nelle sinapsi elettriche, le membrane delle cellule pre- e postsinaptica sono separate da uno spazio molto ristretto (3-4 nm) attraversato da canali proteici detti giunzioni comunicanti (gap junctions) che creano continuità tra il citoplasma delle due cellule. Le gap junctions sono formate da due emicanali giustapposti detti connessoni, ciascuno appartenente a una delle due cellule e formato da sei subunità di 25 kDa dette connessine. Tali canali rendono possibile il passaggio non solo di ioni (e quindi di corrente), ma anche di metabo-liti e messaggeri intracellulari, come i nu-cleotidi ciclici, determinando quindi una «continuità» elettrica e metabolica tra la cellula presinaptica e postsinaptica. La continuità elettrica permette il rapido passaggio bidirezionale di correnti elettrotoniche tra il lato pre- e il lato postsinaptico in grado di determinare la generazione del potenziale d'azione nella cellula postsinaptica. Le sinapsi elettriche sono frequenti negli invertebrati, dove sono preposte ai riflessi di fuga dai predatori, mentre divengono sempre meno rappresentate negli organismi più complessi, nei quali ha preso il sopravvento la sinapsi chimica.

La scelta evolutiva di adottare una modalità chimica di trasmissione intercellulare (sinapsi chimica) piuttosto che una modalità elettrica ha posto notevoli problemi riguardanti la sintesi delle molecole trasmettitoriali, il loro immagazzinamento all'interno di orga-nelii specializzati e la loro rapida liberazione in risposta all'attività elettrica della cellula. La sinapsi chimica rappresenta una fondamentale evoluzione della modalità elettrica di trasmissione dell'informazione tra reti nervose con caratteristiche di specializzazione, complessità, modulabilità e plasticità. La caratteristica fondamentale della sinapsi chimica è quella di essere una struttura asimmetrica, vale a dire che l'elemento presinaptico e quello postsinaptico, separati da un vallo sinaptico di circa 30-40 nm, hanno specializzazioni completamente diverse, essendo il primo specializzato nella trasduzione elettrico-chimica e nella secrezione nel vallo sinaptico di un messaggero chimico (neurotrasmettitore) e il secondo nella ricezione e successiva traduzione elettrica e/o metabolica del neurotrasmettitore. A livello presinaptico sono presenti piccoli organelli (le vescicole sinaptiche) deputati all'immagazzinamento e liberazione del neurotrasmettitore che contattano la membrana presinaptica in corrispondenza di ispessimenti dette zone attive, per poi fondersi con essa all'arrivo del potenziale d'azione. A livello delle zone attive sono presenti elevate concentrazioni di canali al Ca2+ voltaggio dipendenti deputati alla trasduzione del segnale elettrico in un massiccio influsso di ione Ca2 +, che investe le vescicole ivi ancorate, raggiungendo concentrazioni quasi millimolari. Questo scatena l'esocitosi e il rilascio del contenuto delle vescicole nello spazio sinaptico. A livello postsinaptico, di fronte alle zone attive sono presenti ispessimenti della membrana postsinaptica (dette densità postsinaptiche) contenenti elevate concentrazioni di recettori per i neurotrasmettitori e di trasduttori del segnale come proteine G eterotrimeriche, enzimi e canali ionici. Il legame del neurotrasmettitore con il recettore ne determina l'attivazione: nel caso di recettori-canale ne conseguirà un evento elettrico (corrente e potenziale sinaptico); nel caso di recettori accoppiati a proteine G potranno invece avviarsi nella cellula postsinaptica reazioni biochimiche più o meno complesse, che possono risolversi nella modulazione dell'attività di canali di membrana - e quindi ancora una volta in segnali elettrici, seppur più lenti - oppure nella regolazione di livelli di Ca2*, nucleotidi ciclici e fosforilazione di proteine, con le più svariate conseguenze funzionali a breve, medio e lungo termine sull'efficienza, ed eventualmente sulla struttura stessa, della sinapsi.

Lo studio degli aspetti cellulari e molecolari della secrezione di neurotrasmettitore è iniziato nella seconda metà del '900, con gli esperimenti di P. Fatt e B. Katz sulla giunzione neuromuscolare. Applicando le tecniche elettrofisiologiche, messe a punto per

studiare il potenziale d'azione nell'assone gigante di calamaro, essi giunsero alla conclusione che il rilascio di neurotrasmettitore avviene in maniera «quantale», mutuando il termine dalla fisica delle particelle, caratterizzata dall'osservazione che materia, energia e luce non si possono presentare in quantità più o meno grandi su una scala continua, ma solo come multipli di una quantità elementare, detta appunto «quanto». In altre parole, la risposta evocata dallo stimolo corrisponde al rilascio di un numero intero di «quanti» di neurotrasmettitore, ciascuno di dimensione ragionevolmente costante. Negli anni '60, con l'identificazione, al microscopio elettronico, del ricco corredo di vescicole della terminazione nervosa, l'ipotesi che il rilascio di neurotrasmettitore avvenga attraverso la fusione esocitotica di una vescicola sinaptica e che le piccole e omogenee vescicole contengano il quanto di neurotrasmettitore ha ricevuto numerose conferme sperimentali. Si è infatti dimostrato che il contenuto di una vescicola è coerente con l'ampiezza di un potenziale sinaptico elementare (o miniaturizzato) e che il numero di vescicole liberate e il numero di quanti rilasciati sono altamente correlati. Inoltre, le vescicole ricircolano attivamente durante l'intensa attività sinaptica e, congelando istantaneamente la giunzione neuromuscolare durante la secrezione di trasmettitore, si catturano molte immagini di fusione di vescicole con la membrana presinaptica.

Mentre nella sinapsi neuromuscolare vengono rilasciate quantità enormi di neurotrasmettitore (acetilcolina) che sono ampiamente sufficienti a generare, in condizioni fisiologiche, una depolarizzazione intensa della cellula muscolare che provoca lo sviluppo del potenziale d'azione, la maggior parte delle sinapsi nel sistema nervoso centrale ha invece un comportamento diverso. Pochi quanti rilasciati in risposta all'arrivo del potenziale d'azione determinano singolarmente depolarizzazioni postsinaptiche inferiori al mV, assolutamente insufficienti a raggiungere la soglia per provocare l'insorgenza di un potenziale d'azione. E’ quindi necessario sommare, nel tempo e nello spazio, numerosissimi potenziali postsinaptici perché, a livello del segmento iniziale dell'assone (che è la zona del neurone più eccitabile ovvero con soglia più bassa), insorga il potenziale d'azione. Questo processo è indispensabile per permettere ai neuroni centrali, che ricevono tipicamente migliaia di contatti sinaptici, di scatenare un potenziale d'azione solo quando il complesso dei segnali in ingresso, opportunamente integrati in base alla loro influenza eccitatoria (depolarizzazione) o inibitoria (iperpolarizzazio-ne) e secondo le caratteristiche geometriche ed elettrotoniche dell'albero dendritico, produce una depolarizzazione adeguata del segmento iniziale dell'assone. Questo processo di integrazione è essenziale per le complesse potenzialità computazionali del singolo neurone e dei circuiti neuronali. Dal punto di vista del codice di trasmissione dell'informazione, a livello della sinapsi chimica vengono operate importanti trasformazioni. L'eccitazione neuronale, che si esprime come un fenomeno elettrico «tutto

o nulla» (potenziale d'azione) di ampiezza costante e in grado di essere velocemente trasmesso a notevoli distanze, corrisponde a un codice binario in cui l'informazione viene codificata dalla frequenza degli eventi. A livello della sinapsi chimica avvengono due trasformazioni: il segnale da elettrico diventa chimico, ovvero viene convertito nel rilascio di molecole informazionali (i neurotrasmettitori) e il codice da digitale (tutto o nulla) diviene analogico, caratterizzato dal rilascio di quantità graduate di neurotrasmettitore (anche se sempre multiple dell'unità elementare o quanto). Mentre il linguaggio elettrico dei neuroni può solo variare in frequenza dei segnali, il linguaggio chimico possiede un repertorio di segnali più graduato e suscettibile di integrazione. In questa sinergia tra fenomeni elettrici e chimici e nell'incessante trasformazione dei segnali tra questi due mondi risiedono le formidabili capacità di percezione, elaborazione e risposta del nostro sistema nervoso.

I due tipi di neurotrasmettitore (neurotrasmettitori classici e neuropeptidi) sono immagazzinati in vescicole da cui vengono liberati nello spazio extracellulare in seguito a un aumento della concentrazione citosolica di Ca2+. I due tipi di vescicole sono tuttavia distinti per morfologia, ciclo cellulare e modalità di secrezione. I neurotrasmettitori classici sono immagazzinati in vescicole sinaptiche piccole (con un diametro sorprendentemente omogeneo di 40-50 nm) che sono accumulate in grande numero nei terminali nervosi, particolarmente addensate presso le zone attive della membrana presinaptica, dove avviene preferenzialmente la loro esocitosi. I neuropeptidi sono invece contenuti, da soli o in presenza di neurotrasmettitori classici, in vescicole secretorie di maggiori ed eterogenee dimensioni (100-300 nm di diametro) che mostrano un contenuto elettrondenso dovuto all'alta concentrazione di proteine (vescicole sinaptiche grandi a nucleo denso), simili ai granuli di secrezione presenti nelle cellule esocrine ed endocrine. Le vescicole sinaptiche piccole, organelli specifici per le sinapsi del sistema nervoso, vanno incontro a rapida esocitosi in corrispondenza delle zone attive e vengono efficacemente e velocemente ricaptate mediante un processo di endocitosi rapida (kiss and run) o mediante un più complesso e lento processo di endocitosi dipendente da clatrina che avviene nelle aree adiacenti alle zone attive. Una volta ricaptate, le vescicole piccole vengono rapidamente ricaricate con neurotrasmettitore neosintetizzato o ricaptato dal vallo sinaptico e divengono così disponibili per un nuovo ciclo secretorio. La liberazione dei neurotrasmettitori classici appare quindi un processo non solo molto efficiente, ma anche molto economico in termini energetici, basandosi in larga parte sul riciclaggio endocitoti-co sia del contenitore (vescicola sinaptica), sia del contenuto (ricaptazione del neurotrasmettitore). Le vescicole contenenti i neuropeptidi, invece, non possono essere riciclate e ricaricate di peptidi localmente e pertanto le terminazioni non sono autosufficienti, per quanto riguarda il rilascio di neuropeptidi, così come lo sono nel rilascio di neurotrasmettitori classici. Inoltre, queste vescicole non sono in genere localizzate vicino alle zone attive dove vi è un'elevata concentrazione di canali calcio voltaggio-dipendenti. Essendo quindi esposte a concentrazioni di calcio molto inferiori durante l'attività elettrica, hanno una bassa probabilità di rilascio e liberano neuropeptidi solo durante periodi di attività elettrica ad alta frequenza che provoca un aumento diffuso della concentrazione di calcio nelle terminazioni.

Negli ultimi anni, si sono chiariti molti aspetti molecolari del ciclo eso-endocitotico delle vescicole sinaptiche, caratterizzando le principali proteine coinvolte e identificando disfunzioni sinaptiche alla base di malattie del sistema nervoso e possibili bersagli per la terapia farmacologia. Il complesso corredo proteico delle vescicole sinaptiche è composto da proteine che interagiscono con ilcitoscheletro, proteine deputate all'accumulo del neurotrasmettitore, proteine che mediano l'ancoraggio alle zone attive, proteine sensore per il Ca2+, proteine di fusione, proteine coinvolte nella biogenesi delle vescicole, proteine G monomeriche che assicurano la corretta direzionalità al ciclo eso-endocitotico e proteine che regolano la disponibilità delle proteine di fusione, proteine marker della membrana vescicolare, enzimi come proteincinasi. Le interazioni di queste proteine vescicolari tra loro, con fattori citosolici e con specifici partner presenti sulla membrana presinaptica, sono fondamentali per la sequenzialità del processo di rilascio di neurotrasmettitore. Vista l'enorme rapidità della trasmissione sinaptica, solo le vescicole già ancorate alla membrana presinaptica sono coinvolte nella fase più precoce della liberazione di neurotrasmettitore. Queste vescicole sinaptiche formano un «pool disponibile» all'esocitosi molto importante funzionalmente ma di dimensioni piuttosto ristrette (rappresenta lo 0,5-15% del contenuto totale di vescicole del terminale, a seconda del tipo di sinapsi considerata). La stragrande maggioranza delle vescicole costituisce un «pool di riserva» in cui le vescicole sono organizzate in grappoli trattenuti in sede da interazioni con la densa matrice citoscheletrica della terminazione formata principalmente da aerina e spectrina. Tali vescicole rappresentano una riserva funzionale per i siti di ancoraggio alla membrana presinaptica rimasti liberi dopo l'esocitosi delle vescicole del pool disponibile. Si comprende pertanto come il rilascio sinaptico dei neurotrasmettitori classici non vada incontro facilmente a esaurimento secretorio (fatica o depressione sinaptica) anche durante scariche di potenziali d'azione ad alta frequenza. Il complesso processo di liberazione di neurotrasmettitore implica il passaggio delle vescicole sinaptiche attraverso una serie di reazioni che comprendono, in primo luogo, il rilascio dal citoscheletro, il direzionamento e l'ancoraggio alle zone attive della membrana presinaptica e la predisposizione alla fusione (priming o emifusione). A questo punto può verificarsi la fusione con la membrana presinaptica, sia spontanea o scatenata istantaneamente dall'ingresso di Ca2+. Infine, la membrana della vescicola deve venire recuperata dall'assolemma e la vescicola riacquisire la sua individualità (endocitosi). Mentre l'ancoraggio si verifica attraverso interazioni specifiche tra proteine associate alle zone attive e alle vescicole sinaptiche, il priming avviene mediante la formazione di un complesso di fusione fra tre proteine, dette snares, di cui una vescicolare (sinaptobrevina) e due presinaptiche (sintaxina e Snap-25). La formazione di tale complesso libera l'energia necessaria per avvicinare la vescicola e la membrana presinaptica (emifusione), rendendo possibile il successivo processo di fusione. Tali proteine sono il bersaglio selettivo delle tossine tetaniche e botuliniche, che bloccano irreversibilmente la liberazione di neurotrasmettitore. Il rilascio esocitotico di neurotrasmettitore (fusione) può avvenire sia attraverso l'assemblaggio e l'apertura di un «poro di fusione» tra membrana vescicolare e membrana presinaptica simile a una gap junction o in seguito alla fusione completa delle due membrane con incorporazione della membrana vescicolare nell'assolemma. Dopo l'esocitosi, il complesso di fusione deve essere dissociato a spese di energia (mediante l'intervento dell'ATPase nsf) e le proteine snare rigenerate in forma monomerica per potere catalizzare un successivo ciclo di fusione. Per mantenere la corretta compartimetalizzazione delle snares, la dissociazione del complesso di fusione deve precedere la prima fase dell'endocitosi, quando la vescicola viene separata dalla membrana presinaptica (fissione).

Il neurotrasmettitore liberato nel vallo sinaptico viene riconosciuto dai recettori del neurone postsinaptico e tradotto in una varietà di risposte biologiche. Le risposte più rapide sono quelle risultanti dall'apertura di canali ionici che inducono il passaggio di corrente attraverso la membrana con conseguenti variazioni del suo stato elettrico che possono tramutarsi in influenze eccitatorie o inibitorie e quindi in una maggiore o minore probabilità di sviluppo di un potenziale d'azione. Accanto a risposte ioniche, vi sono tuttavia una serie di risposte enzimatiche che, attraverso la produzione di messaggeri intracellulari (o secondi messaggeri), producono sia effetti metabolici locali (fosforilazioni e defosforilazioni) in grado di modulare la risposta postsinaptica, sia effetti sui processi di trascrizione e traduzione genica che producono modificazioni a lungo termine nella cellula postsinaptica (ad es. variazioni nell'espressione di molecole recettoriali, di enzimi, di molecole di adesione, ecc.).

La formazione delle sinapsi è lo stadio finale dello sviluppo del sistema nervoso. Quando le fibre nervose che sono cresciute sotto la guida di una serie di molecole attraenti o repellenti hanno raggiunto la loro destinazione e sono in prossimità di una serie di possibili bersagli neuronali, entra in azione un meccanismo di riconoscimento sia di contatto che umorale, più o meno simile a quanto può avvenire nel contatto tra due persone. Se il neurone bersaglio secerne una miscela di fattori di crescita e ha proteine di membrana appropriati, la zona dell'assone che aveva contattato il bersaglio si differenzia in terminazione presinaptica, inizia ad accumulare vescicole sinaptiche e a formare zone attive. Il rilascio di neurotrasmettitore, che avviene con modalità spontanea anche prima dello stabilirsi del contatto sinaptico, matura rapidamente acquisendo le proprietà che si osservano nelle sinapsi adulte, ovvero diviene regolato dall'attività elettrica e acquisisce alcune peculiari proprietà quali la precisione, la rapidità, l'efficienza e la resistenza all'esaurimento. Se il bersaglio neuronale invece non è appropriato, esso esercita un'azione inibitoria sulla formazione e maturazione delle terminazioni presinaptiche. Una volta che la terminazione si è sviluppata, è lo stesso rilascio di neurotrasmettitore che induce, a ruota, la maturazione e specializzazione della membrana postsinaptica che consiste nell'aggregazione dei recettori, effettori e canali ionici che sono mantenuti in sede da aggregati di proteine «adattatrici» che li vincolano al citoscheletro sottomembranario di actina. La formazione delle sinapsi è quindi espressione del cross-talk tra neurone presinaptico e postsinaptico, in cui il neurone bersaglio lancia assaggi che, se adeguati, inducono la specializzazione presinaptica che, a sua volta, induce la specializzazione postsinaptica. L'efficienza con cui la sinapsi trasferisce l'informazione (forza sinaptica) non è una proprietà immutabile, ma può venire finemente regolata sulla base della storia recente del neurone e dell'ambiente biochimico intracellulare. Questa capacità di variare l'efficienza sinaptica su base puramente funzionale (variazione del «software») è detta «plasticità funzionale», ed è in genere limitata a un breve periodo di tempo dopo l'evento che l'ha prodotta (plasticità a breve termine).

A questa plasticità a breve termine si aggiunge, spesso indotta dagli stessi stimoli, una forma più complessa e duratura di plasticità che implica variazioni nell'espressione genica e la sintesi di nuove proteine. Oltre al rimaneggiamento di sinapsi preesistenti, possono formarsi nuove connessioni sinaptiche che modificano permanentemente la connettività. Tale plasticità sinaptica «a lungo termine» può essere mantenuta per ore, mesi e anni. Questo fenomeno di plasticità strutturale è un elemento fondamentale dello sviluppo del sistema nervoso. La geografia delle connessioni sinaptiche che si produce ai termine della sinaptogenesi non è tuttavia quella definitiva, è una sorta di hardware temporaneo costruito prevalentemente sotto la direzione dei geni, che è destinato a venire rimaneggiato strutturalmente per tutta la vita sotto la guida dell'esperienza e della cultura (fattori epi-genetici), anche se le variazioni più sorprendenti avvengono durante l'infanzia. Nell'ambito dei circuiti nervosi, variazioni permanenti nella forza sinaptica e nel volume di informazioni trasferite (conseguenti a variazioni nel numero di sinapsi tra neurone pre- e postsinaptico) sono in grado di incanalare il flusso delle informazioni attraverso le connessioni «facilitate» distogliendolo dalle connessioni inibite o «depresse». Questi fenomeni, studiabili a livello cellulare e comportamentale, hanno mostrato una stretta correlazione tra apprendimento e fenomeni di plasticità sinaptica in aree circoscritte del sistema nervoso centrale tale da fare ritenere con una ragionevole sicurezza che la plasticità sinaptica a lungo termine sia la base cellulare dei fenomeni di memoria e apprendimento. Così come ha affermato J. LeDoux, le connessioni sinaptiche tengono insieme il Sé nella maggior parte di noi, e per la maggior parte del tempo. Il Sé sinaptico può essere una maledizione, non ci vuole molto perché vada in pezzi. Ma è anche una benedizione, dal momento che ci sono sempre nuove connessioni in attesa di essere realizzate. «Tu sei le tue sinapsi. Esse sono chi sei tu».

FABIO BENFRNAT1