Un team di neurobiologi sperimentali della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e di biologi teorici della Humboldt-Universität zu Berlin è riuscito a risolvere un mistero che ha sconcertato gli scienziati per decenni. Sono stati in grado di determinare la natura dell’attività elettrica nel sistema nervoso degli insetti che controlla il loro volo. In un articolo recentemente pubblicato su Naturariportano una funzione precedentemente sconosciuta delle sinapsi elettriche impiegate dai moscerini della frutta durante il volo.
La mosca della frutta Drosophila melanogaster batte le ali circa 200 volte al secondo per andare avanti. Altri piccoli insetti gestiscono anche 1.000 battiti d’ali al secondo. È questa alta frequenza di battiti d’ali che genera il fastidioso ronzio acuto che comunemente associamo alle zanzare. Ogni insetto deve battere le ali a una certa frequenza per non rimanere “bloccato” nell’aria, che funge da mezzo viscoso a causa delle loro piccole dimensioni corporee. A tale scopo, impiegano una strategia intelligente ampiamente utilizzata nel mondo degli insetti. Ciò comporta l’attivazione dell’allungamento reciproco dei muscoli antagonisti che sollevano e abbassano le ali. Il sistema può oscillare ad alte frequenze, producendo così l’alto tasso di battiti d’ali richiesti per la propulsione. I motoneuroni non sono in grado di tenere il passo con la velocità delle ali, quindi ogni neurone genera un impulso elettrico che controlla i muscoli delle ali solo circa ogni 20 battiti. Questi impulsi sono precisamente coordinati con l’attività di altri neuroni. Nei motoneuroni che regolano la frequenza del battito delle ali vengono generati schemi di attività speciali. Ogni neurone si attiva a una velocità regolare ma non contemporaneamente agli altri neuroni. Ci sono intervalli fissi tra i quali ciascuno di essi spara. Sebbene fosse noto fin dagli anni ’70 che modelli di attività neurale di questo tipo si verificano nel moscerino della frutta, non vi era alcuna spiegazione del meccanismo di controllo sottostante.
Il circuito neurale regola il volo degli insetti
Collaborando alla RobustCircuit Research Unit 5289 finanziata dalla German Research Foundation, i ricercatori della Johannes Gutenberg University Mainz e della Humboldt-Universität zu Berlin sono finalmente riusciti a trovare la soluzione al puzzle. “Movimento delle ali nel moscerino della frutta Drosophila melanogaster è governato da una soluzione circuitale miniaturizzata che comprende solo pochissimi neuroni e sinapsi”, ha spiegato il professor Carsten Duch della Facoltà di Biologia della JGU. Ed è estremamente probabile che questo non sia solo il caso del moscerino della frutta. I ricercatori presumono che il più di 600.000 specie conosciute di insetti che si basano su un simile metodo di propulsione impiegano anch’esse un circuito neurale di questo tipo.
Drosophila melanogaster è il soggetto ideale per la ricerca nel campo della neurobiologia in quanto è possibile manipolare geneticamente i vari componenti del suo circuito neurale. Le singole sinapsi possono essere attivate e disattivate e persino l’attività dei singoli neuroni può essere direttamente influenzata, per citare solo due esempi. In questo caso, i ricercatori hanno utilizzato una combinazione di questi strumenti genetici per misurare l’attività e le proprietà elettriche dei neuroni nel circuito. Così sono stati in grado di identificare tutte le cellule e le interazioni sinaptiche del circuito neurale coinvolte nella generazione dei modelli di volo. Di conseguenza, hanno scoperto che la rete neurale che regola il volo è composta solo da un piccolo numero di neuroni che comunicano tra loro solo attraverso sinapsi elettriche.
Nuovi concetti di elaborazione delle informazioni da parte del sistema nervoso centrale
In precedenza si era ipotizzato che quando un neurone si attivava, sostanze neurotrasmettitori inibitori venivano rilasciate tra i neuroni della rete di volo, impedendo così a questi di attivarsi contemporaneamente. Utilizzando la sperimentazione e la modellazione matematica, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che una tale distribuzione sequenziale della generazione di impulsi può verificarsi anche quando l’attività neurale è direttamente controllata elettricamente, senza la presenza di neurotrasmettitori. I neuroni quindi creano un tipo speciale di impulso e si “ascoltano” attentamente l’un l’altro, specialmente se sono appena stati attivi.
Le analisi matematiche hanno previsto che ciò non sarebbe stato possibile con impulsi “normali”. Quindi, sembrerebbe improbabile che la trasmissione tra neuroni in una forma puramente elettrica si traduca in questo schema di attivazione sequenziale. Per testare sperimentalmente questa ipotesi teorica, sono stati manipolati alcuni canali ionici nei neuroni della rete. Come previsto, il modello di attività del circuito di volo si è sincronizzato, proprio come aveva previsto il modello matematico. Questa manipolazione sperimentale ha causato variazioni significative nella potenza generata durante il volo. È quindi evidente che la desincronizzazione del modello di attività determinato dalle sinapsi elettriche del circuito neurale è necessaria per garantire che i muscoli del volo siano in grado di generare una potenza costante.
I risultati del team con sede a Magonza e Berlino sono particolarmente sorprendenti dato che in precedenza si pensava che le interconnessioni tramite sinapsi elettriche risultassero effettivamente in un’attività sincronizzata dei neuroni. Il modello di attività generato dalle sinapsi elettriche rilevate qui indica che potrebbero esserci forme di elaborazione delle informazioni da parte del sistema nervoso che sono ancora inspiegabili. Lo stesso meccanismo potrebbe svolgere un ruolo non solo in migliaia di altre specie di insetti, ma anche nel cervello umano, dove lo scopo delle sinapsi elettriche non è ancora del tutto compreso.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
