L'altro cervello. Come le nuove scoperte sul cervello stanno rivoluzionando medicina e scienza 8897412106, 9788897412106 [PDF]

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'ALTRO

CERVELLO

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L'ALTRO

CERVELLO Come le nuove scoperte sul cervello· stanno rivoluzionando medicina e scienza edizione italiana a cura di Alessandro Zennaro traduzione di Catia Mignini

L'editore è a disposizione di tutti gli eventuali proprietari dei diritti sulle immagini riprodotte, laddove non sia stato possibile rintraceiarli per chiedere la debita autorizzazione. ©2012 ESPRESS EDIZIONI srl e.so San Maurizio 15 · 10124 Torino · tel. 01119501623 www.espressedizionì.it [email protected] ·Prima edizione: gennaio 2012 ISBN 978-88~97412-106 I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento totale o parziale, con qualsiasi mezzo (compresi i microfilm e le copie fotostatiche) sono riservati per tutti· i paesi.

100% riciclata 100% ambiente Questo libro è stampato con carta riciclata ed eco/ogicq, orientato alla sostenibilità e prodotto attraverso un processo a basso impatto ambientale. . Fotocopie per uso personale (cioè privato e individuale) nei limiti del 15% di ciascun volume possono essere effettuate negli esercizi che aderiscono all'accordo SIAE - AIE - SNS e CNA, Confartigianato, CASA, Confcommercio dèl 18 dicembre 2000, dietro pagamento del compenso previsto in tale accordo. Per la legge italiana la fotocopia è lecita solo per uso personale · purc]1é non ·danneggi l'autore'. Chi fotocopia un libro, chi.mette a disposi- J zione i meÙi per fotocopiare, chi comunque favorisce questa pratica come mette u,n furto e opera ai danni della cultura. · Titolo originale dell'opera: The Other Brain: Frcim Dementia to Schizophrenia, how New Discoveries about the Brain Are Revolutionizing Medicine ©2009 by R. Douglas Fields Simon & Schuster Redazione: Alessandro Pastore Impaginazione: Valeria Berra · Stampa: COM - Torino

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Indice

Introduzione del curatore 9 Prefazione 11 PARTE I

Alla scoperta dell'altro cervello 1. Pluriball o colla

fantastica? .15 2. Uno sguardo all'interno

del cervello: la ·componente cellulare·· 35 3. Trasmissioni dall'altro cervello: le glia conoscono e controllano la mente 81 PARTE II

Le cellule della glia nella salute e nella malattia ·Guarire la mente: le glia riparano i danni del sistema .nervoso e le malattie? 101

4. Cancro al cervello: nulla a che fare con i neuroni 105 5. Cervello e lesione del midollo spinale 119 6. Infezione 155 7. Salute psichica: le glia, complici silenziose della malattia mentale 187

8. Disturbi neurodegenerativi 223 9. Glia e dolore: una benedizione e una maledizione 253 10. Glia e assuefazione: una dipendenza neuroni-glia 275 11. Madre e figlio 287 12. L'invecchiamento: la furiosa: lotta delle glia coritro lo spegnersi della luce 319 PARTE III

Le cellule della glia

nel pensiero e nella memoria 13. La mente dell'altro cervello: le glia nel conscio e nell'inconscio 339

14. Al di là dei neuroni: memoria e capacità cerebrale 365 15. ·Pensare oltre le sinapsi. 381 16. Verso il futuro: il nuovo cerveilo 413 RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

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INDICE DEI NOMI 449

I

Introduzione del curatore

Nori provo alcun timore a definire «:eccezionale» il volume che ho l'onore di aver curato e di pre~entare. Da un lato rappresenta uno splendido esempio di alta divulgazione scientifica in tema di neuro~ scienze, dall'altro pone all'attenzione del grande pubblico un tema di interess:e medico rilevantissimo e finora inesplorato: il ruolo svolto dalla metà del cervello meno indagata e conosciuta; le cellule gliali. . Queste complesse cellule(che costituiscono, insieme ai fasci assonali, la sostanza bianca) sono quella componente del sistema nervoso ~ che fino a ora è stata considerata poco più che «materia isolante e imbottitura per i neuroni». . Eventualmente un'imbottitura «evoluta»; vale a dire responsabile del nutrimento e delle funzioni di supporto a sua maestà il. neurone, ma davvero poco di più di uno sciocco servitore funzionalmente deputato a consentire al sovrano di svolgere il complesso compito di trasmissione ed elaborazione del segnale nervoso. Ora sappiamo che non è così. Questa recente acquisizione innesca una serie interrogati. vi e si apre a nuove prospettive'. Da un punto di vista storico, la ricerca scientifica sul sistema nervoso ha una vita piuttosto lunga. Andreas van Wes~l, meglio noto come Andrea Vesalio, .fu il primo a intuire, ndr543, che i nervi non fossero entità cave e che il loro funzionamento non fosse spiegabile in semplici termini idraulici, necessitando di approfondimenti empirici all'epoca impossibili da percorrere. Altre significative acquisizioni, relative all'anatomia e alla fisiologia cerebrale, vennero quindi sviluppate da Thomas Willis, che nel 1667 declinò il significato di solchi . e circonvoluzioni cerebrali, descrisse la funzione del corpo calloso e distinse fra sostanza bianca e sostanza grigia; Un ulteriore e decisivo passo in avanti fu fatto intorno a metà dell'Ottocento con 1a teoria

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cellulare di Theodor Schwann e, successivamente, ma ormai siamo al primo Novecento, con i lavori di Camilla Golgi e Ramon Y Cajal, che, attraverso ìl ricorso al nitrato d'argento e alla colorazione del tessuto nervoso,. hanno consentito di i:ndividuare la discontinuità dei cfrcuiti neuronali e posto le basi per l'individuazìone del bottone .sinaptico e per la spiegazione della comunicazione fra i neuroni. Da qui in poi la storia si fonde con la cronaca e le scoperte scientifiche relative alla fisiologia e alla patologia delle cellule nervose hanno fatto passi da gigante, fino a fare delle neuroscienze la disciplina medico-psicologica più in crescita nell'ultimo ventennio. Tuttavia, come il lettore potrà osservare, si parla sempre di sostanza grigia. La portata innovativa di questo volume, invece, consiste nella con- .· futazione di alcune concezioni sbagliate relative alle cellule gliali e · nella messa in luce dì scoperte e possibìli approfondimenti scientifici sul tema. Il lettore non si deve spaventare se l'argomento appare di nicchia, poiché lo stile del testo è invece semplice e divertente, seppure nel rigore dell'esposizione scientifica. Chi di noi non si è mai domandato cosa renda una persona più intelligente.di un'altra o quali siano i canali nervosi che concorrono · a causare condizioni drammatiche come il morbo di Parkinson o la schizofrenia? Chi di noi non si è mai chiesto quale sia la ragione del genio di Leonardo o di Albert Einstein, quelcurioso e distratto scienziato che per primo ha intuito la spiegazione delle leggi che regola:µo !'infinitamente grande, l'universo, e !'infinitamente piccolo, l'atomo e l'energia atomica? Questo volume, pur senza connotarsi come un trattato di neuroscienze, contribuisc~ a chiarire questi e altri interessantissimi interrogativi. ALESSANDRO ZliNNARO

Ordinario di Psicopatologia Universitàdi Torino

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Prefazione

In che modo i cento miliardi di neuroni del nostro cervello ci permettono di ricordare chi siamo; di apprendere, pensare e sognare; di farci travolgere dalle passioni o dalla rabbia; di andare in bicicletta, di astrarre significati da simboli impressi con l'inchiostro.sulla carta o di · riconoscere la voce materna in mezzo al frastuono di una folla? Cosa non va come dovrebbe nella rete neurale in presenza di schizofrenia, depressione o malattie spaventose come il morbo di Alzheimer, la sclerosi multipla, il dolore cronico o la paralisi?' Siamo alla soglia di un nuovo modello di interpretazione del cervello, che trasforma un secolo di teorie tradizionali e modifica soprattutto il ruolo dei neuroni.· Riuniti attorno allo schermo di un computer,. nel · 1990 gli scienziati osservarono il passaggio di informazioni attraverso particolari cellule del cervello che ignoravano i neuroni e comunicavano senza l'utilizzo di impulsi elettrici. Fino a quel momento, infatti, gli studiosi pensavano che le· informazioni circolassero solo per via elettrica attraverso i neuroni. In realtà, questi ultimi rappresentano appena il 15% delle cellule del nostro cervello. Le restanti cellule cerebra~ li - le cellule della glia - erano considerate poco più che materiale da imballaggio infilato tra i neuroni. Denominate «cellule delle pulizie» e congedate come «collaboratrici domestiche cellulari», le glia sono state trascurate per più di un secolo dopo la loro scoperta.. Oggi gli scienziati si stupiscono all'idea che' queste strane cellule possano comunicare tra loro; la visione relativa al funzionamento del cervello è stata infatti minata alle fondamenta dalla scoperta che le cellule della glia non solo rilevano l'attività elettrica della rete neurale, ma addirittura sono in grado di controllarla.. Come mai finora non si è presa.in considerazione quest'altra metà del cervello? Le glia non generano impulsi elettrici, pertanto i meti-

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colosi elettrodi che ineuroscienziati utilizzano per studiare i neuroni risultano sordi alle trasmissioni.gliali. Le glia, al contrario dei neuro. ni, non sono collegate ai circuiti attraverso le sinapsi; piuttosto che passare i messaggi in sequenza, come pedine del domino che cadono una dopo l'altra, le glia trasmettono i loro segnali a grande distanza in tutto il cervello. lh che modo questa nuova scoperta è in grado di cambiare la nostra comprensione della mente? I· misteri del malfunzionamento del. cervello, in relazione alle malattie.mentali, possono essere risolti attrav~rso l'esplorazione di. questa nuova dimensione cellulare? Può questa ricerca trovare nuove cure? La scoperta delle glia - l'altro cervello - è l'alba che illumina ogni: aspetto della scienza neurologica, toccando tutti i ricercatori che lavo-' · ranp in questo ambito. È una storia della scienza in fieri, intessuta di, interpretazioni e trasformazioni, intuizioni e confusione,. controversie e consensi generali. Lungo il percorso si .incontreranno affasci- nanti scienziati - persone reali - diversi tra loro e talvolta pecµliari; tutti impegnati in una delle attività umane tra le più collaborative: la scienza. I dati trattati all'interno di questo libro sono talmente: innovativi da non aver ancora trovato spazio nei manuali. Queste pagine cambieranno la vostra visione del cervello e vi forniranno una conoscenza imprescindibile dalla quale trarrete beneficio per la vostra salute e per quella dei vostri cari. Il libro illustra le ultime scoperte in campo neuroscentifico e me~ dico, e trascina ·il lettore al centro dell'argomento, rendendolo testimone oculare attraverso lo sguardo partecipe di uno dei ricercatori coinvolti.

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PARTE I

Alla scoperta dell'altro cervello

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Pluriball o colla fantastica? Il cervello di Einstein Fece cadere il bisturi n.ella vaschetta in acciaio inossidabile e, raggiungendo con entrambe le mani il cranio aperto, estrasse con cura il cervello. Reggere tra le mani un cervello umano scatenava ogni volta Un vortice di pensieri ed emozioni sulla morte, l'individualità, la bfologia, la spiritualità e sul mistero del posto che ognuno di noi occupa nel mondo. Qualsiasi cosa fosse stato questo eccezionale essere umano solo poche ore prima, ora era rappresentato da.quasi un chilo e mezzo di tessuto intricato. Nonostante il patologo avesse provato quelle emozioni in un'infinità di occasioni, questa volta era diverso. Il cadavere steso sul tavolo in acciaio dinanzi a lui apparteneva ad Albert Einstein e tra le mani stava reggendo il cervello dello scienziato. Analizzando l'organo sotto la chiara luce della lampada da osser- · vazione, si stupì di come quella materia fosse riuscita a creare una delle. menti più geniali dello scorso secolo, lo stesso cervello che ora si sfaldava come gelatina per il suo stesso peso e sembrava identico a quello di qualsiasi altro essere umano. All'improvviso ildott. Thomas · Harvey ebbe uria folgorazione: era destinato a:lui. Sciacquò meticolosamente il sangue dal. cervello con della soluzione salina, lo pesò, lo. misurò e lo depose in un'altra soluzione appena preparata e composta da un ro% di formaldeide, il tutto mentre i vapori tossici gli irritavano occhi e naso. Mentre il corpo di questo uomo eccezionale veniva sepolto, il suo cervello era immerso . .

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in un contenitore per la sua conservazione, come un raro esemplare . da museo, e nascosto per i successivi quarant'anni da un patologo che sentì l'istinto irrefrenabile di tenerlo per sé. Una profanazione,''questa; illegale e contraria alla deontologia; motivata dal fatto che " Harvey ritenne che fosse suo destino e dovere, verso la scienza e l'umanità, svelare i segreti che diedero vita a una mente tanto straordinaria. . Il compito andava ben oltre le capacità del patologo che si ,considerava il guardiano di questo inestimabile tesoro. Nei quaranfanni successivi Harvey distribuì con parsimonia campioni del· cervello di Einstein a scienziati e pseudoscienziati sparsi peril mondo per cercare, in modi diversi, indizi della genialità del fisico tedesco (Paterniti 2000).

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La sua m.ente fu talmente straordinaria da riuscire a formulare , pensieri inconcepibili per qualsiasi altra, impossibili da coniprendere ai più anche dopo che la teoria della relatività venne interamente formulata e articolata. Un cervello capace di concepirel'idea che il tempo stesso fosse flessibile. Tempo e spazio, materia ed energia persero la loro identità per trasformarsigli uni negli altri; in questo senso il tem. po si contraeva o dilatava. per strutturare gli eventi in modo fluido. E a tale rivelazione giunse attraverso nessun altro mezzo se non quello· della mente, una mente in grado di immaginare se stessa a cavallo di un raggio di luce. ·Trent'anni dopo il furto del cervello di Einstein, quattro campioni furono spediti a una rinomata neuropatologa dell'Università di Berkeley, in California. La ricercatrice aveva ora tra le sue mani quattro fiale contenenti del tessuto accuratamente selezionato da alcune regioni della corteccia cerebrale di Einstein. Marian Diamond, questo era il suo nome, stabilì che dal momento che la genialità di Einstein: . risiedeva nella straordinaria capacità _di immaginazione, astrazione e alto livello delle funzioni cognitive, qualsiasi base fisica della ·sua particolarità andava ricercata nelle regioni cerebrali responsabili di

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quelle attività, piuttosto che in quelle della corteggia che controlla. no funzioni quali udito, vista O. movimento, capacità non sensibil~ mente diverse in Einstein. Hatvey aveva sezionatola cort~ccia dello scienziato, ne aveva numerato le parti e infine immerse nella celloidina, un composto della nitrocellulosa che una volta consolidato riveste i tessuti come insetti nell'ambra. La Diamond voleva esaminare due campioni di corteccia associativa, l'area dove le informazioni vengono riunite per l'analisi e la sintesi; Chiese ad Harvey dei campioni di tessuto della regione prefrontale, situata dietro 1a fronte, e uno della regione parietale inferiore, posta leggermente al di sopra delle orecchie. Era importante avere campioni di entrambi i lati .dèl cervello in quanto, nella maggior parte delle persone emisfero destro o sinistro tendono a dominare .in maniera. dissonante . nelle diverse funzioni cognitive, così come si esperisce il mondo iri modi differenti utilizzando la mano destra o quella sinistra. La corteccia prefrontale è coinvolta in attività quali la pia,nificazione, la memoria di lavoro, l'astrazione e la categorizzazione delle informazioni. Le famigerate procedure di lobotomia prefrontale separavano questa regione dal resto del cervello, lasciando le funzioni mentali di baseintatte ma rendendo ipazienti docili in seguito alla perdita di abilità cognitive più alte come l'astrazione mentale e la sintesi delle esperienze vissute. La Diamond richiese poi anche campioni di corteccia parietale inferiore, essendo questa la regione associata all'immaginazione, la memoria e l'attenzione. Quanti presentano danni in questa area, in particolare nell'emisfero dominante del cervello (spesso il destro), perdono la capacità di riconoscere parole e lettere e hanno difficoltà nella scrittura e nel calcolo. La letteratura medica documenta il caso di un matematico che in seguito alla lesione di questa porzione di corteccia trovava difficoltà nella risoluzione dì problemi di calcolo.

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Regione della corteccia cerebrale di Albert Einstein esaminata dalla dott.ssa.Marian Diamond e colleghi alla ricerca di tracce della genialità dello scienziato. A) regione prefrontale, B) regione inferiore parietale.

Un'interà carriera trascorsa a studiare l'anatomia della corteccia umana non smorzava la sorpresa, l'emozione e l'anticipazione della dott.ssa Diarriond·nell'osservare da vicino quei quattro frammenti di cervello umano color crema delle dimensioni di un cubetto di zuc. thero. Quelli erano differenti, o almeno lo fu la mente che ne derivò. Se fosse riuscita a svelare i segreti che permisero a quel tessuto di dar vita al genio di Einstein, la scoperta avrebbe permesso di farsi un'idea del funzionamento dei meccanismi cellulari legati alla mente, consentendo.di comprendere come opera il nostro cervello e dove invece fallisce quello malato dei.meno fortunati. La dott.ssa Diamond avrebbe dovuto comparare questi frammenti con altri campioni di controllo. La sua emozione era attenuata dal dub. bio. Nonostante nel suo laboratorio fosse circondata da scatole di vetrini contenenti campiòni di tessuto di svariati cervelli umani, esisteva un solo cervello di Einstein. La sua reale straordinarietà implicava che,

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aldilà del risultato ottenuto, l'esperimento non si sarebbe potuto replicare. Le conclusioni a partire da qualsiasi dato possono essere soggette a errori, ma la scienza progredisce grazie all'osservazione, la raccolta di dati e la sintesi. Sarebbe forse stato meglio non osservare? Gli scienziati affrontano l'incertezza dei risultati sperimentali misurando e calcolando matematicamente le probabilità che la differenza tra i dati del gruppo di controllo e quello sperimentale siano dovuti esclusivamente al caso. In maniera analoga, la significatività di· un singolo capello biondo ritrovato sulla scena· del crimine· può essere determinante solo in parte, considerando le probabilità dì ritrovare un capello biondo nella popolazione. La Diamond e i suoi colleghi si prepararono per studiare la struttura cellulare dei campioni. Per fare questo il tessuto cerebrale doveva essere più sottile del diametro di una cellula, poi andava tinto ~on coloranti che permettessero di distinguere. nel dettaglio i singoli neuroni. · . Queste fettine erano tanto sottili che quindici di esse non raggiungevano lo spèssore di un capello umano .. Di fronte a lei si trovava una serie di vassoi in vetro contenenti soluzioni dai colori vivaci, dal viola scuro al rosa brillante, passando per il verde a seconda deltipo di luce, come per una chiazza d'olio nell'acqua: Dopo aver collezionato una serie di campioni di tessuto li trasferì con cura uno a uno, aiutata da un sottile pennello,' in un piàttino di vetro contenente la soluzione colorante. Il giorno seguente, studiando la sezionè al microscopio apparvero delle ombre attraverso l'informe velatura e all'improvviso, come per un aereo che scende attraverso le nuvole svelando il panorama di una città; l'immagine divenne nitida'. e dettagliata. La cellula che stava osservando era un neurone della corteccia cerebrale di Albert Einstein. Forse fu proprio quello stesso neurone a immaginare di cavalcàre un raggio di luce. Quale poteva essere la differenza.tra quello e un qualsiasi neurone di un'altra area della corteccia di Einstein, che magari inviò i comandi alle sue dita per scrivere sulla carta i simboli matematici che resero reale quella fantasia? Quale similitudine poteva esserci tra quel neurone e uno

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situa.to nella medesima area della corteccia della dottoressa,. che in quel momento generava le immagini e i pensieri attraverso i circuiti presenti nella sua stessa mente impegnata nel contemplare l'inestimabile tesoro . e mistero dinanzi a lei? Come una cellula così microsc;opica è riuscita a retto il concambiare in modo tanto radicale il mondo? Come avrebbe . . . fronto con un neurone della stessa area del cervello di Isaac Newton? La scienza e la tecnologia avanzano attraverso l'azione combinata di' migliaia di picèoli passi, ma il progresso scientifico è spesso contrassegnato da grandi balzi concettuali, come la visione copernicana del sistema solare, le leggi della gravità e del moto di Newton, la teoria dell'evoluzione della specie di Darwin e la teoria della relatività di Einstein. Il numero di tali balzi si può contare sulle dita delle mani, e questi neuroni provenivano da una delle menti che avevano cambiato il mondo. Dopo giorni di minuziosa misurazione e calcolo, la Diamond sommò i dati e li comparò con le stesse regioni di undici cervelli di controllo appartenuti a individui di sesso maschile la cui età variava. dai quarantasette agli ottanta anni. Non vi era alcuna differenza. Un neurone del cervello del genio non differiva innessunmodo, da quello di un cervello rappresentativo e, inmedia, nella corteccia creativa di Einstein vi era lo stesso numero di neuroni c.he in quella di un uomo la cui creatività poteva rientrare nella norma. Una differenza nei dati tuttavia esisteva. Il numero di cellule che non erano neuroni era di gran lunga maggiore in tutte e quattro le aree del cervello dello scienziato. Di nòrma i campioni di normale tessuto cerebrale hanno una cellula.non neuronale ogni due neuroni, il cervello di Einstein presentava invece quasi il doppio di cellule non nervose, circa . una per ogni neurone. La più grande differenza la si poteva notare nel campione di corteccia parietale situata nell'emisfero dominante del cervello di ,Einstein, la regione generatrice del pensiero astratto; del simbol.ismo visuale e del pensiero. complesso; Era solo un colpo di fortuna? La Diamond calcolò le probabilità matematiche che questa differenza si fosse verificata per caso; eseguendo un'analisi della

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varianza dei tessuti dei campioni di controllo: In tutte le regioni del cervello di Einstein esaminate le probabilità che la differenza potesse essersi verificata per caso erano minime. La sola differenza che la Diamond poté osservare tra quello di Einstein e un cervello comune stava proprio nelle cellule non neuronali. Poteva essere. quello il fondamento cellulare della genialità? In che modo? Quale era la funzione di quelle ceilule (dette anche «della . glia») non neuronali? Per decenni le cellule gliali sono state considerate poco più che un pluriball della mente, un tessuto connettivo che a livello fisico, e forse nutrizionale, supportava i neuroni, ma il fatto strano era che il cervello di Eitistein ne presentava una quantità maggiore della media. L'idea che quelle cellule potessero essere coinvolte nelle funzioni mentali andava ben oltre gli schemi concettuali di molti neuroscienziati. Ne è una prova il nome che sigillò questi schemi per un secolo: neuroglia - dal greco, «colla nervosa».

l'.angolo morto dell'intelletto: glia nascoste in piena vista Per apprezzare i risvolti della scoperta della dott.ssa Diamond·è importante comprendere alcuni assunti di base delle glia e considerare le origini della nostra attuale visione sul funziOnamento del cervello. I più pensano al sistema nervoso come un intricato groviglio di cavi di una rete telefonica, e l'immagine è cambiata ben poco negli ultimi cento anni. Questa visione è così radicata da rendere difficile pensare che il sistema nervoso possa funzionare diversamente, prova ne è il fatto che quando prese piede venne ritenuta così basilare da produrre ·un dibattito lungo un quarto di secolo. Santiago, un bambino con velleità artistiche, nacque nel r852 in Spagna da padre medico.· Brillante nel disegno e amante della foto. grafia, Santiago non seppe però tradurre i suoi interessi artistici in ·

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una professione redditizia. Durante gli anni di studio in medicina, Santiago spendeva ore disegnando nel dettaglio i cadaveri che suo padre sezionava con estrema niinuzfa. . . All'età di trentatré anni Santiago Ramon Y Cajal (pronunciato Cc/hal) ricopriva il ruolo di professore di anatomia a Saragozza, in Spa-. gna. In occasione di una visita a Madrid nel 1887, Ramon Y Cajal osservò al microscopio un vetrino di tessuto nervoso colorato secondo la procedura sviluppata dall'anatomista italiano Camilla Golgi ,quattordici anni prima. Quell'immagine trasformò la vita dello spagnolo. Abbandonata la sua stimata ricerca in batteriologia, Ramon Y Cajal divenne titolare della cattedra di Istologià normale e patologica a Barcellona e si prodigò nell'impiego e nel miglioramento del metodo di Golgi che 'permette di visualizzate la struttura cellulare del cervello per mezzo della colorazione. Una tecnica che, a causa della sua natu~ ra volubile, non aveva destato alcuna attenzione nei quattordici anni precedenti. Spesso la colorazione non riusciva ma, quando funziona~ va al meglio, i risultati erano strabilianti. ·Il metodo di colorazione sfrutta la stessa reazione chimica di un'arte nata proprio in quegli anni: il bianco e nero della fotografia tanto cara a Ramon Y Cajal. Per ragioni tuttora misteriose, solo un numero esiguo di neuroni assorbe la tintura, forse uno ogni cento; tuttavia, quelli che si colorano lo fanno interamente, così che ogni dettaglio viene esalta- . to come nel contornò nero di una quercia che si staglia sullo sfondo , di un giallo tramonto invernale. Se si colorassero tutti i neuronidel. campione l'esperimento diverrebbe inutile, in quanto le ramificazioni delle cellule nervose, contenute in una qualsiasi porzione di tessuto cerebrale, formerebbero dei grovigli incomprensibili. Ramon Y Cajal riusciva invece a osservare i singoli neuroni in modo chiaro e nella loro interezza:, .come dei fossìli che si separano dalla gemma. Oggi tendiamo a fare analogie tra il cervello, i computer e l'elettronica in generale; ma prima dell'avvento di questi mezzi prevaleva un modello differente. Gli stabilimenti'e le fabbriche del XIX secolo

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sfruttavano l'energia cinetica dell'acqua raccolta in fiumi e torrenti deviandola Ilei mulini e incanalandola poi attraverso condotti e fossati verso la sorgente iniziale. L'idraulica rappresentava il meccap~mo più avanzato per la trasmissione di forze a una certa distanza. I..: energia poteva essere gestita tramite valvole di controllo che relazionavano le linee idrauliche in modo da comandarne la forza. All'epoca, questa era l'immagine a cui veniva associato il funzionamento del sistema nervoso .. Si pensava che i nervi presenti nel nostro organismò fossero rispettivamente collegati e la lorò forza venisse applicata a ogni singolo muscolo. Attraverso le lenti.del microscopio era.pòssibile osservare le centinaia di piccoli tubicini, probabilmente collegati a valvole di controllo e diretti al cilindro principale presente nel cervello. In quest'ultimo, sempre attraverso il microscopio, erano visibili miglìaia di ingarbugliate ramificazioni tubolari di piccolissime dimesioni, gli assoni, che scorrevano attraverso tratti di sostanza bianca striando il tessuto cerebrale. La sorgente di questi tratti si trovava nella sostanza grigia che formava una spessa corteccia intorno alla superficie convoluta del cervello, ricordando il gambo di una pianta di broccoli quando si divide in ramificazioni più sottili per terminare in verdi flosculi. Il metodo di colorazione di Golgi era in grado di rivelare le singole cellule nervose - dette neuroni - nel minimo dettaglio, ma questi vennerointer. pretati in maniera differente da due diversi gruppi di scienziati. Golgi vedeva l'assone, il sottile tubo che usciva dal corpo dei neuroni, proiet. tarsi per grandi distanze e infine diramarsi in un numero incalcolabile di connessioni in grado di collegare gli altri assoni. Questa rete di fibre avrebl;>e favorito il trasporto dei comandi nervosi e dei messaggi provenienti dagli organi di senso. Golgi osservava poi la presenza di sottili ramificazioni chiamate dendriti, dalla loro .somiglianza agli a'.lberi. Egli suppose che .servissero per estrarre il nutrimento necessario alle cellule nerv~se e potenziare il flusso di energia, oggi definito corrente elettrica, attraverso la rete di assoni. Ramon Y Cajal, osservando gli stessi dati e utilizzando la medesima tecnica di colorazione inventata

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da Golgi (detta anche reazione nera), vide qualcosa di molto diverso e propose una nuova interpretazione: la teoria del neurone. Ramon Y Cajal vi lavorò. febbrilmente sedici_.ore al giorno, sett~ giorni la settimana, esaminando. parti di tessuto nervoso di animali di qualsiasi specie ed età e di tutte le regioni del cervello e del corpo. Osservò campioni provenienti da esseri umani, conigli, cani, porcellini d'India, ratti, uccelli, pesci, rane, topi e da feti di animali. Con preciso sguardo da artista disegnò la figura dei neuroni e nello studiarla iniziò a trovare una logica nella loro struttura. Nonostante queste estensioni cellulari simili a fili metallici - gli assoni - viaggiassero per lunghissime distanze all'interno del cervello, .terminavano tutte nei campi den" dritici, le sottili ramificazioni che partono dal neurone: In uno sforzo concettuale; Ramon Y Cajal realizzò che il neurone nòn era un nodo in una rete ma una unità indipendente! Inoltre, il neurone aveva una polarità funzionalé e i segnali non venivano irradiati in tutte le direzionì attraverso le reti neurali come fossero vibrazioni che attraversano una ragnatela. Al contrario, i segnali erano trasmessi da og~i neuro. ne verso una sola direzione,· come carri trainati in una strada a sens_o unico. Linformazione arrivava al neurone passando attraverso le radici neuronali (i dendriti) e gli impulsi fuoriuscivano attraverso l'assone per ricomparire dall'altro lato della c.ellula. L'assone non si ricollegava ad altre diramazioni assoniche ma prendeva contatto con i dendriti di altri neuroni. In qualche modo i segnali nervosi venivano trasmessi lungo il confine tra dendrite e assone fino al neurone successivo, come delle scatole. lasciate sull'uscio del neµrone destinatario e in. attesa di.essere . raccolte. Il complesso cellulare (protoplasma) delle due cellule nervose non era quindi assimilabile ai fluidi all'interno dei raccordi idraulici. Questa separazione tra dendriti e assoni è chiamata .sinapsi. Attraverso la sinapsi, consentendo o meno il passaggio del messaggio dall'assone al dendrite, il cervello dirige il flusso di informazione in maniera estremamente complessa, così·come il centralino gestisce le chiamate telefoniche. .

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Un disegno di Ramon Y Cajal.che raffigura un neurone macchiato secondo la tecnica di Golgi. Lo scienziato suppose che i neuroni non fossero fusi insieme e che le informazioni non circolassero in tutte le direzioni, bensì.passassero da un neurone all'altro per mezzo delle connessioni sinaptiche.

Ramon Y Cajal diventò il neuroanatomista più affermato del XX secolo e vinse il premio Nobel per la medicina e la fisiologia nel 1906 insieme a Camillo Golgi, il suo rivale, lo stesso inventore della tecnica dell'impregnazione .cromoargentica, il quale però si opponeva alla teoria del neurone proposta dallo spagnolo. Ramon Y Cajal lavorò in maniera prodigiosa effettuando scoperte su scop~rte e pubblicando un gran numero di ricerche e di volumi sulla struttura cellul.are del cervello, stùdiche tutt'oggi rappresentàno una ricca e inestimabile fonte di accurate informazioni. Tuttavia, anche quello che rimase fuori dai.suoi disegni è indice della sua genialità. La confusa struttura cellulare dei vetrini si rifrangeva sul per~ spic~ce cristallino dell'occhio dell'artista in ognuno dei disegni che fece per isolare .le informazioni essenziali. Grazie alla sua maniera

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avanguardista di osservare la complessità della struttura cerebrale, no~ disegnò mai qualcosa che non vi fosse davvero - nessun canale di Marte e nessun homunculus nella testa di uno spermatozoo. Erà . sua intenzione evitare di mescolare aspetti che non avessero relazioni evidenti. Tra le cose che poté osservare in modo chiaro e che lasciò sempre da parte vi erano le glia, che disegnava separatamente riempiendo . . pile di quaderni. Queste cellule lo affascinavano ma, come emerse dall'utilizzo del metodo· Golgi, la loro struttura non rivelàva nulla circa la loro funzione. Le cellule della glia non possedevano né as- · soni né dendriti. Osservate al microscopio sembravano dei fori di proiettile su una superficie in vetro: una figura circolare con sottili estensioni simili a fratture che si estendevano. verso l'esterno come uÌi'aureola. Ramon Y Cajal le chiaIT1ava «cellule ragno» a causa delle moltissime zampe protoplasmatiche che dall'arrotondato corpo cellulare si allargavano in tutte le direzioni. Altri scienziati vi trova. vano una certa somiglianza con le stelle e le chiamarono «astrociti», nòme che peraltro oggi sta a indicare uno dei quattro tipi di celhi~e gliali conosciuti. Ramon Y Cajal osservò che le cellule gliali potevàno assumere un numero infinito di forme bizzarre: alcune assomigliavano a grotteschi coralli a ventaglio e altre sembravano salsicce appese agli assoni. Molte autorità ~n campo scientifico considerav~­ no le cellule no11 nervose come una sorta di tessuto connettivo cerebrale a riempimento degli spazi tra i neuoni. Ramon Y Cajal non conosceva le funzioni avanzate delle cellule gliali, ma di certo sapeva che non sarebbe riuscito a svelé).rne i segreti con gli strumenti ·a sua disposizione; così, saggiamente, iniziò a disegnarle in separata sede. Insito nella divisione dei suoi quaderni vi era un quesito che pòneva alle future generazioni di neurobiologi: cosa c'è nelraltra: metà del cervello? ~

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Ramon Y Cajal riconobbe la differenza tra neuroni e glia, ma la funzione di queste ultime non gli era chiara.

Le glia sono in ascolto: · una luce splende sul mistero di Ramon Y Cajal ··Novant'anni dopo siedo in una piccola stanza, la mia faccia e·illuminata dalla fredda luce bluastra dei monitor. Alla mia sinistra c'è un enorme tavolo in acciaio inossidabile della misura di un biliardo, è spesso venti centimetri e poggia su pistoni ad aria posti all'interno delle grosse gambe di acciaio che gararihscono una superficie stabi-·. le, piana e a prova di Vibrazioni. La struttura è invasa da apparecchi elettronici rispettivamente collegati e ben ancorati al tavolo. Il ronzio delle ventole di raffreddamento degli impianti pervade l'atmosfera, enfatizzata dal rumore degli scatti delle valvole automatiche e degli otturatori situati all'interno degli strumenti.. Spessi tubi neri spingono aria fredda in un apparecchio delle dimensioni di una lavatricé, posto nella stanza adiacente, garantendo il raffreddamento del laser a ultravioletto, cuore pulsante dello strumento. Un tubo ondulato si-

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mile alla conduttura di un'asciugatrice aspira i fumi tossici dell'ozono sprigionati nelle stanzetta. Al centro del tavolo si trova una scatola in plexiglas traslucido aàgcione brillante, grande quanto un grosso armadietto, che funge da schermo protettivo per i raggi uJtravioletti. All'interno di questa scatola si trova l'unico oggetto che Santiago Ramon Y Cajal sarebbe sta:to in grado di riconoscere: un microscopio che lo avrebbe lasciato di stucco. Enorme e costruito in maniera minuziosa, è grande tre volte tal'.}.to quello che lo studioso spagnolo usava per osservare i campioni di tessuto cerebrale che tagliava ton l'aiuto di un rasoio. Ciononostante, avrebbe identificato la struttura e i componenti dello strumento: il tavolino portaoggetti mob;le e due oculari come quelli attraverso i quali era solito osserv~re con candido stupore. Questi vengono giusto usati per un'osservazione rapida, che permette di posizionare il campione sotto le lenti, prima di chiudere l'otturatore e spostare il percorso del . fascio luminoso verso la fotocamera digitale o itubi del photomultiplier in grado di intensificare l'immagine sfocata e mostrare in modo vivido la microscopica scena sullo· schermo di un pc. Attravesro ~n joystick, navigo ora sulla superficie microscopica come se fossi un pilota di elicotteri. · Ruotando una manopola simile a quella delle radio, seziono ottica- . mente le cellule da capo a piedi separandone una parte di struttura alla volta. Prima una porzione di membrana cellulare, simile alla macchi~ lasciata da una palla fatta rimbalzare sul vetro di una finestra, poi un anello, come se si tagliasse la parte superiore della palla, e poi ancora più in profondità cori ulteriori tagli fino ad ai:rivare alla parte opposta, registrando ogni minuscola struttura al suo inte~o, dalla m('.;!mbrana cellulare fino al nucleo. La cosa più sorprendente è che le cellulè che sto esaminando con questo avanzato microscopio ottico sono vive. . Sono state asportate dal feto· di un topo, isolate e fatte· crescere. per· oltre un ~mese all'interno di un'incubatrice da laboratorio che fungeva da ventre materno in grado di garantirhe calore e ossigenazione..

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Ramon Y Cajal avrebbe subito dedotto che raffigurati sullo schermo vi .erano dei neuroni e ne avrebbe anche indovinato il tipo esatto osservando la peculiare forma sferica delle cellule responsabili della trasmissione, dalla pelle fino alla spina dorsale, di sensazioni quali il · tatto, il calore e il dolore: i gangli della radice dorsale (DRG). S.arebbe però rimasto sconcertato dalla nitidezza delle immagini, come se fossero stati tagliati in sezioni spaventosamente sottili. Indossando degli speciali occhial~ vedo lo. schermo del computer trasformarsi in una finestra spalancata all'interno della quale il neurone DRG galleggia in uno spazio tridime,nsionale ricordando una decorazione natalizia appesa. Ramon Y Cajal si sarebbe senza dubbio sorpreso di come, attraverso un movimento del mio dito sul mouse, le cellule orbitino sUll'asse così da esaminarne i minimi dettagli strutturali interni. Tuttavia il meglio deve ancora venire. Questo strumento è,un mi. croscopio confocale a scansione laser, il primo all'interno del nostro National Institutes of Health, e si distingue dai comuni' microscopi ottici ·in quanto è in grado di mostrare la struttura cellUlare attra.verso sezioni ottiche molto nitide, ma non solo. Questo particolare strumento permett~ di osservare la biochimica e la fisiologia durante il movimento delle molecole intorno e attraverso le cellule viventi nell'atto di trasportare i messaggi e gli ordini dai segnali elettrici in superficie fino al nucleo delle cellule stesse. All'epoca, nel 1994, era uno dei pochissimi. strumenti presenti nel pàese, ma oggi tutti gli . istituti di ricerca delle maggiori università ne hanno almeno· urio a disposizione. '

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Ri.velaztoni. dal profondo

Vent'anni fa, quando ero biologo marino alla Scripps Institution of Oceanography di San Diego, trascorrevo le mie estati facendo ricer-

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che su un pesce chiamato «chimaera» che vive a notevoli profondità e risale dai fondali utilizzando le correnti d'acqua fredda per giungere vicino alla superficie delle isole San Juan a Washington, a nord del Pacifico, dove si trova il laboratorio marino Friday Harbor. Gli sciehziati di tutto il mondo si ritrovano lì formando dei campi estivi in cui lavorano con impegno e senza sosta sulla ricerca. ·Mentre ci preparavamo a fare una spedizione su un peschereccio per raccoglì~te degli esemplari con l'aiuto di unarete a strascico, notai degli studenti andare su e giù per il molo con delle reti per farfalle. Il loro oggetto di studio erano delle piccole meduse dalle dimensioni di una moneta da un dollaro conosciute con il nome di aequorea victoria.·Quelle bellissime creature trasparenti hanno come meta estiva abittiale le acque di Friday Harbor. e pertanto non riuscivo a spiegarmi l'entusiasmo dei·collezìonisti. In risposta alla mia domanda, uno degli studenti mi disse che' al centro del loro interesse c'era la bioluminescenza delle meduse, ossia la capacità che hanno alcune specie marine di emettere una luce fredda, spesso ùna fosforescenza tra i1 blu e il verde. «State. cercando di capire come fanno a emettere luce?» chiesi. «No, questo lo sappiamo già. Stiamo estraendo la proteina che genera la luce nel momento in cui entra in contatto con il caldo. Inseriamo nelle cellule questa proteina, l'aequori~a, per studiarne le correnti di calcio». Subito capii. Gli elettrofisiologi studiano l'attività nervosa creando elettrodi particolari:nente piccoli e collegandoli alle cellule nervose tramite dei micromanipolatod; questi permettono di posiziona:r;li in maniera precisa grazie all'uso di un microscopio. Il flusso di ioni contenuti nella cellula genera un.a corrente elettrica biologica che, se amplificata grazie agli strumenti elettronici e proiettata sullo schermo fosforescente di un oscilloscopio, permette agli scienziati di vedere gli impulsi nervosi che viaggiano attraverso la rete neurale, proprio come i medici che seguono il battito cardiaco sullo schermo della sala operatoria. Gli elettrofisiologi vogliono capire in che modo

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le correnti elettriche si formano e si regolano, e quale dei molti ioni che compongono le cellule contribuiscano alla loro nascita. Un compito arduo, spesso affrontato sostituendo ioni diversi nella soluzione in cui sono immersele cellule nervose, oppure applicando sostanze in grado di bloccare alcuni dei canali proteici d~lla membrana che fanno entrare nella cellula i diversi ioni, come il sodio, il potassio e il calcio. . · Se gli scienziati riuscissero a procedere con questa tecnica, potrebbero iniettare la proteina fluorescente della medusa nella cellula nervosa per poi osservarla al microscopio. Se la corrente di calcio circolasse all'interno della: cellula avrebbero la possibilità di seguirne il percorso grazie alfa scia verde fosforescente rilasciata, come per un aereo di linea in un cielo terso. Vedrebbero con i loro stessi occhi le reazioni biochimiche e le attività fisiologiche della cellula vivente e potrebbero osservare gli eventi in tempo reale e in tre dimensioni, e non solo raggi e suoni di fenomeni elettrici attraverso le schermo di un oscilloscopio. Vent'anni dopo mi sarei trovato a esaminare i neuroni DRG utilizzando una serie disoluzioni che permettono l'assorbimento di una tintura sintetica fluorescente sensibile al calcio molto simile a quella che si estrae dalle meduse.Avevo cresciuto le cellule in un piattino dotato di elettrodi in platino che mi consentivano di procurare leggeri elettroshock, questi facevano sì che i neuroni DRG ìl. lumjnassero gli impulsi. Quando un neurone si illumina il cambio di voltaggio nella membrana cellulare apre i canali proteici permettendo agli ioni di calciò di entrare nella cellula. Fui felice di osservare che ogni volta che un neurone si illuminava, nel momento stesso in cui il calcio entrava al suo interno e si legava con la tintura fluorescente, , la cellula lampeggiava. Died anni addietro, quando con miei colleghi · osservai questa reazione per la prima volta, l'eco delle nostre grida di gioia si propagò nei laboratori. Questo esperimento era diverso. Chiesi a Beth Stevens, il mio tecnico di laboratorio e inseguito mia dottoranda (oggi professores-

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sa all'Università di Harvard), di aggiungere alle colture di neuroni DRG anche un tipo di cellule gliali chiamate «cellule ·di Schwann». Situate nei nervi, .le cellule di Schwann rivestono gli assoni e formano uno strato, la. mielina, che funge da isolante elettrico circon'. dando ogni singolo assone di grosso diametro o, nel caso di assoni di piccole dimensioni, racchiudendoli al suo interno come un hotdog composto da vari wiirstel. Le cellule gliali forniscono supporfo strutturale e probabilmente anche fisiologico agli assoni. Gli impul: si neurali, in ogni caso, vengono trasportati solo dagli assoni. Finora si pensava che le cellule gliali li isolassero come un rivestimento in plastica intorno a un cavo ma che non riuscissero aP. avvertire l'at~. tività degli impulsi che gli scorreva attraverso. Volevamo verificare questa ipotesi. Dopo mesi di preparazione finalmente arrivò il momento che tutti · gli scienziati attendono con trepidazione: ossia quando, schiacciando un bottone, l'ipotesi viene conformata o confutata. Lo schermo del computertrasformòl'intensità della luce fluorescente nelle cellule in una scala· di colori, cbme in una mappa delle previsioni del tempo che mostra le piogge nella regione locale, Maggiore era il calcio più intensa si faceva la luce e allo stesso modo maggiore era l'intensità· della luce più caldo diventava il colore. I neuroni DGR e le cellule di. Schwann erano di un blu scuro che indicava la bassa quantità di calcio all'interno. Nell'istante in cui il bottone veniva schiacciato per sti~ molare i neuroni essi cambiavano dal blu al verde, al rosso, al bianco, evidenziando il flusso di calcio nel loro citoplasma. Le cellule di Schwann, incapaci dì stimolare gli impulsi elettrici o di percepire i leggeri elettroshock che provocano tale reazione negli assoni, rimanevano blu. Dopo ·quindici lunghi secondi di delusione, io e Beth esultammo nel vedere che le cellule di Schwann iniziavano a illuminarsi come un albero di Natale. Le glia avevano in qualche modo captato l'impulso e stavano rispondendo con unaumento della concentrazione di calcio all'interno dei loro stessi corpi cellulari. Le glia, che per lungo tempo

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s'ono state viste come poco più di un pluriball del cervello, erano complici nell'invio. di informazioni attraverso i neuroni. Ora sorge~ano­ , nuove domande: come confluivano qùeste cellule nel flusso di segnali elettrici in direzione degli assoni del sistema nervoso? Ma soprattutto perché?

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Uno sguardoall'interno,del cervello: la componente cellulare Sezionando il cervello Con le mani avide di un ragazzino di dieci anni tagliai ìn due il cuqre con l'aiuto di un coltello da macellaio. Tutto mi venne svelato: quattro sezioni separate da valvole umide e cartilaginose che pompavano il sangue negli atri e lo spingevano verso l'aorta e le arterie polmonari. Affascinato, chiesi a mia madre se la volta successiva poteva portarmi un cervello. Quando fece ritorno dal macellaio con un cervello di vitello la mia emozione nel tagliarlo e dividerlo in due fu incredibile. All'interno, però, non vi era nulla. Solo una cavità vuota dentro una poltiglia carnosa (Fields 2006). . . Come funzionava? Dai libri ricavavo nomi per le varie protuberanze e pieghe - cervelletto, ponte di Varolio, bulbo, ventricolo laterale - ma le informazioni non mi davano il minimo indizio su come questo organo, superiore rispetto a tutti gli altri, funzionasse. I miei genitori, che erano insegnantt, non sembravano avere la risposta, Oggi so che il potere del cervello deì-iva da una riduzione in scala e da una concentrazione dei suoi cotnponenti a un livello tale per cui le parti operative risultano invisibili. Così come le componenti di un computer sono miniaturizzate oltre la risoluziorte dell'occhio umano, anche quelle cellulari del cèrvello sono altrettanto invisibili a meno che non vengano ingrandite centinaia o migliaia di volte gra-

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zie all'aiuto di potenti microscopi. Viene naturale oggigiornò pensare alle cellule nervose o ai neuroni come a microprocessori del ceniello, . ma va ricordato che gli scienziati guardavano quell'organo in maniera diversa prima dell'avventq dell'elettronica. Quanto possiamo essére sicuri che l'analogia tra cervello e microprocessori sia corretta? Scknziati più ponderati iniziano a chiedersi se la nostra teoria sul funzjo- .· namento di questo organo non sia in realtà ingenua. Per cercare di comprendere perché le glia si inseriscono :r;i.elle·linee di comunicazione tra i neuroni dovremmo iniziare a esaminare la .struttura del cervello e queste cellulepiene di ombre più da vicino. Le cellule più numerose all'interno del cervello sono di· gran lunga le glia e non i neuroni. A differenza di questi ultimi le glia nongenerano impulsi nervosi e di conseguenza non hanno le stesse caratterisÙche fisiche dei neuroni, composti invece da assoni simili a cavi che in~iano gli impulsi a lunghe distanze e folti dendriti che . ricevono i segnali grazie alle migliaia di sinapsi. Per trovare una i"i-. sposta a quale sia il ruolo delle cellule della glia è ne~essatio tracciare · il sentiero della scoperta fin dalle sue or~gini, quando alcuni pionieri della scienza evidenziarono la presenza dei neuroni in microscopi~ che porzioni di tessuto nervoso. Per assurdo, di fronte ai loro occhi vi era una grande abbondanza di glia, ma il bagliore dei neuroni li accecò mentalmente, nonostante queste occupassero una ·posizione primaria.·

· Sostanza grigia In contrasto con i nomi descrittivi che gli anatomisti danno a ogni· protUberanza e minima: caratteristica del corpo (spesso in latino);il meglio che riuscirono a inventare per il cervello fu «S0stanza grigia». Inadatta anche come descrizione fisica in quanto il vero colore del cervello è il rosa, il nome è infatti un'allusione poetica alla nostra vaga

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comprensione di un tessuto tanto enigmatico. Agli occhi dèi primi studiosi di anatomia non vi éra nulla di chiaro al riguardo. Immaginate ~a loro frustrazione nell'analizzare quel tessuto molliccio per trovare un senso alla sua strutt1lra o un indizio del suo funzionamento.· Quando fu inventato il microscopio· gli scienziati. si affrettarono a osservare all'interno della. sostanza grigia, ma rimasero spiazzati· dallo scenario che trovarono: tutto era radicalmente diverso da qualsiasi altro tessuto umano. La struttura cellulare del sistema D;etvoso era talmente miniaturizzata da far risultare la lunghezza . d'onda della luce visibile troppo debole per esplorarla, La lunghezza d'onda di una luce verde è dieci volte più grande di una vescicola si~ naptica ~ l'apparato fondamentale per la comunicazione tra neuroni. Fino a quando i fisici non svilupparono il sistema per mettere a fuoco i fasci di elettroni nel microscopio elettronico, al posto dei raggi di luce visibile, non esistevano strumenti abbastanza potenti per osservare le vescicole sinaptiche e analizzare la struttura del cervello.. Il . microscopio elettronico fu inventato a metà del XX secolo, rha furono necessari decenni di sviluppo tecnico e diversi anni per capire come interpretare le complesse immagini che produceva. Oltre un secolo dopo, la struttura cellulare del resto del corpo fu mappata nel minimo dettaglio; tuttavia quella del sistema nervoso rimane ancora un'area di grande esplorazione.

Sostanza bianca Il resto del cervello è soStan~a bianca. Il tessuto cellulare caratterizzato da un bianco lucente è composto da milioni di linee di comunicazio.ne· che, raggruppate saldamente tra loro, collegano neuroni anche a ·grànde distanza - lineè di comunicazione vitali stipate sotto la sostànza grigia della corteccia e avvolte saldamente come le fibre sottostanti la pelle di una palla da baseball. La sostanza bianca, come lo spazio

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bianco sulla carta, è stata a lungo vista· semplicemente corne qualcqsa. che definisce le aree tra le componenti funzionali, ma recentemente questa ingenua metafora ha iniziato a perdere di significato. Sondare questa pé!-rte del cervello è un compito talmente scoraggiante che solo · negli ultimi anni, grazie alle moderne tecniche di imaging cerebrale, è stato possibile per gli scienziati avventurarsi nel regno della sostanza bianca. Come vedremo in seguito, le nuove s~operte stanno cambiando le teorie fondamentali sul funzionamento del cervello e sull'immagazzinamento delle informazioni - ossia sull'apprendimento. All'interno ·delle vergini regioni di sostanza bianca, le glia ràppresentano il cuore del meccanismo. Grazie alla recente esplorazione di queste cellule a lungo ignorate si è innescata una rivoluzione nella comprensione della struttura del cervello, del suo funzionamento, dicome falli.i' sce in presenza di malàttie e di come possa essere curato. Le glia sono la chiave di lettura della nuova visione del cervello. Le informazio~La disposizione qei non. addetti ai lavoro sono poche o addirittura àssertti . e questo fa sì èhe possiamo iniziare la nostra inchiesta con quasi le medesime basi in mano ai primi studiosi che si dedicarono a queste strane cellule cerebrali. Dato che le risposte sono note solo a pochi specialisti, possiamo incontrare gli stessi enigmi, i medesimi indizi e le stesse rivelazioni degli scienziati che per primi vi investigarono. · Quando tali indizi saranno messi a fuoco, forse ci troveremo di fronte a un altro cervello che lavora in parallelo con quello neuronale.

I neuroni: un manuale sul funzionamento del cervello Prima di avventurarci . . oltre è essenziale riassumere le idee sul funzionamento del cervello a livello di cellule e circuiti. Il sistema nervoso lavora inviando impulsi nervosi tramite gli assoni, una sorta di cavi elettrici che permettono alle informazioni una velocità di 320 chilometri all'ora. Gli impulsi viaggiano molto più lentamente quando si

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Il cervello è formato da due tessuti: la sostanza grigia (contenente i neuroni) nello strato superficiale e la sostanza bianca al centro del cervello. Il colore bianco è dato dall'isolante elettrico (la mielina) che riveste gli assoni nervosi. .

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tratta delle fibre del dolore - solo 3,2 chilometri all'ora, il ritmo dei nostri passi durante una tranquilla camminata. Questo spiega l'inr tensificarsi del dolore quando accidentalmente ci schiacciamo l'alluce con un martello. Il centuplicarsi della velocità di trasmissione attraverso le fibre ad alta velocità è dovuto al fatto che esse sono avvolte da un isolante elettrico chiamato mielina, mentre le fibre del dolore sono assoni non isolati simili a filamenti. Come suppose Ramon Y Cajal, i neuroni non sono fusi l'uno all'altro come i cavi di rame saldati di un circuito: ogni neurone del nostro cervello è un'isola a se stante. Ogni isola neuronale comunica inviando messaggi a un altro neurone lungo un piccolo golfo marino che bagna tutte le cellule del nostro corpo. Per via di questo golfo di sepa-

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razione, l'informazione non viene trasmessa all'altro neurone per via elettrica. Il neurone fa galleggiare il messaggio chimico attraverso il· golfo finché non rélggiunge il successivo neurone dal lato opposto d.el~ la riva. Il golfo è la sinapsi e i neuroni all'altro capo vengono chiamati neuroni pre-sinaptici o post-sinaptici, in base alla costa del golfo in cui si trovano: quella che invia o che. riceve. Il neurone pre-sinaptico è sempre il mittente. del messaggio dall'estremità del suo assone; il neurone post-sinaptico, al contrario, riceve l'informazione lungo la sinapsi attraverso i suoi alberi dendritici. l i;nessaggi vengono inviati · sotto forma di sostanza chimica: il neurotrasmett;itore. Microscopiche bottiglie all'interno dei neuroni, le vescicole.sinaptiche, vengono riempite di ·molecole neurotrasmettitrici. Queste. minuscole sfere, troppo piccole per essere, osservate con un semplice microscopio, sono visibili solo grazie al potente ingrandimento di un microscopio elettronico. Sarebbe naturale pensare che i messaggi vengano fattf galleggiare attraverso il golfo sinaptico all'interno di bottiglìe sfericWe, . invece il loro contenuto viene buttato nel golfo e sparso fino all'altra costa. Le vescicole sinaptiche si ammassano negli assoni proprio accanto all'estremità della membrana cellulare. Simili a «palloncini d'acqua cellulari», una o più vescicole sinaptiche vengono spaccate contro la membrana cellulare dell'assone grazie alla forza dell'impulso elettrico, causando il riversamento del contenuto nel mare cellulare. Il neurotrasmettitore, dunque, scorre attraverso il golfo sinaptieo per raggiungere il neurone post-sinaptico dall'altro lato. Molecole~sentinella poste lungo la costa.del neurone post-sinaptico sono appositamente designate· per individuare la.·sostanza neurotiasmettitrice rilasciata nel golfo. Questi recettori sono grosse molecole di proteina che fungono da nandmacchine biologiche; in ognuno di · essi vi è un passaggio nel dendrite del neurone destinatario che si apre quando viene intercettato un neurotrasmettitore. Quando il tunnel tra i recettori si allarga per pochi istanti, gli ioni carichi che galleggiano nella soluzione fuoriescono abbassando la tensione del neurone post-

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sinaptico. L'abbassamento è il.segnale della ricezione, detto potenziale post-sinaptico. Qualora il cambio di tensione sinaptica fosse considerevole, il calo porterebbe il neurone post-sinaptico agenetare u:n impulso fuori dal suo stesso assone per segnalare il neurone successivo nel circuito: Vi apparirà di certo come un modo strano di progettare il sistema nervoso, ma considerate la sfida dell'ingegneria di fronte alla natura: costruire un potente· e velocissimo computer biologico utilizzando solamente.cellule - piccole sacche di acqua salata.. In tal modo l'impulso nervoso accelera verso l'assone, rilasciando i neurotrasmettitori nel momento in cui raggiunge la meta; questo scor~e attraverso il golfo sinaptico e attiva i recettori dei neurotrasmettitori post-sinaptici, causando un calo di tensione nel neurone destinatario ché gli farà generare un impul.so elettrico verso il suo assone, in modo da rilasciare il neurotrasmettitore sui dendriti del neurone successivo, come in una staffetta. Per ·ridurre il tempo che il neurotrasmettitore . impiega per diffondersi nella sinapsi, il golfo di separazione è infinita· mente stretto (venticinque miliardesimi di metro). La fenditura sinaptica è talmente sottile che è impossibile da osservare anche attraverso il più potente dei microscopi ottici; ciò ha portato· decenni di contro" versie nel campo delle neuroscienze, finché il microscopio.elettronico non è riuscito a dimostrare che ogni sinapsi del corpo presenta un golfo di separazione tra il neurone pre e post-sinaptico. Il messaggio passa attraverso la sinapsi impiegando circa un decimo del tempo che utilizziamo per battere le ciglia; tuttavia, consideratala velocità dell'impulso neuronale (J20 km/h), si può affermare che la sinapsi rallenta il flusso di informazioni come farebbe il casello di un'autostrada. Ciò· spiega perché la rete neurale possiede il minor numero possibile di connessioni: il ritardo nella neurotrasmissione di ogni sinapsi rallenta il passaggio delle informazioni attraverso il circuito. Tale limitazione spiega anche perché i neuroni siano le cellule più grandi del corpo. I·· neuroni sono troppo piccoli perché si riesca a osservarli a occhio nudo, ma alcuni possono essere davvero spaventosi: novantadue centimetri

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-nel caso del neurone che dalla spina dorsale scendefi.no all'alluce'. Dimensione necessaria in quanto l'invio dei messaggi chimici lungo la sinapsi acquosa che separa i neuroni provoca gravi limitazioni ìnge·gneristiche al circuito. Per ricavare maggiore efficienza è bene avere il minor numero di sinapsi nel circuito che esegue le funzioni all'interno del sistema nervoso. Quando il medico batte con l'apposito martelletto di gomma s~tto il ginocchio per esaminare il riflesso patellare ci troviamo di fronte all'azione dei circuiti che controllano la coordinazione, essenziale per poter camminare. Se ca:rpminando battessimo sull'alluce, il passo falso farebbe contrarre il tendine al di sotto della rotula proprio come fa il medico con il suo martelletto. Per evitare di inciampare, e quindi di cadere, dovremmo girare di scatto in avanti la parte inferiore della gamba. È fondamentale che questo riflesso moto-sensoriale venga eseguito in un tempo breve altrimenti si cadrebbe. ' Per eseguire questa reazione a· velocità adeguata, esiste una sola:~i­ napsi nell'intero sistema di circuiti deputata al controllo dei riflessi vitali che ci tengono all'erta. Quando le terminazioni nei:vose del tendine rotuleo avvertono un improvviso strattone provocato da un colpo all'alh+ce (o dal martelletto del medico) sparano gli impulsi dalle terminazioni nervose della spina dorsale verso l'assone alla velocità di 320 chìlomeiri all'ora: Non c'è tempo per inviare il segnale al cervello; lì, all'interno del midollo spinale, vi è una singola sinapsi che separa il neurone sensoriale (portando le informazioni sul movimento della gamba verso la colonna) dal neurone motorio, che emanerà poi gli impµlsi elettrici al muscolo della gamba per.farla muovere rapidamente in avanti - una sola sinapsi ci separa dal cadere faccia avanti. (I :messaggi verranno trasmessi al cervello da altri circuiti nervosi, ma lo. faranno quando i muscoli delle gambe avranno ormai risposto e non avremo alcun controllo cosciente di quanto è accaduto. Questo spiega perché vedere la nostra gamba che reagisce in automatico alla stimolazione del martelletto del ·medico che esamina il riflesso patellare provoca sempre stupore).

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Il sistema di isole neuronali rappresenta un grosso freno per la comunicazione rapida, ma tutto questo ha un aspetto positivo: la sinapsi diventa un punto di controllo nella guida del flusso di informazioni attraverso i circuiti neurali. I centri di comando sinaptici sono come gli interruttori e i pulsanti del volume che espandono ampiamente il potere computazionale e le abilità di elaborazione delle infor.Ìnazioni del sistema nervoso ben oltre quello che sarebbero capaci di fare punti di connessione tra neuroni cablati. Regolando i flussi di informazione tra le sinapsi i circuiti possono essere rafforzati o indeboliti, consentendo così di modificare il proprio comportamento sulla base dell'esperienza...,.. leggasi apprendimento. I nostri ricordi non ve:pgono imbottigliati all'interno dei neuroni, piuttosto sono immagazzinati nelle connessioni neuronali collegate dalle sinapsi. Attraverso nuove esperienze vengono stabilite nuove connessioni neuronàli, mentre altre vanno perse. In un certo senso, i ricordi non ,sono stanziati dentro la materia ma nei punti di intersezione. . Il ruolo delle sinapsi va ben oltre quello di connessione neuronale: esse favoriscono la flessibilità dell'elaborazione delle informazioni. Le sinapsi permettono la regolazione delle connessioni funzionali basatè sull'esperienza.Jlprocesso di apprendimento è regolato in maniera più accurata della semplice creazione e distruzione di sinapsi: la forza di tali connessioni può essere ben modulata all'interno di un processo chiamato plasticità sinaptica. In che modo? I cambiamenti molecolari che rafforzano o indeboliscono una connessione sinaptica sono oggetto di un intenso studio da parte di neuroscienziati inte:ressati alla memoria e all'apprendimento, ma in linea di principio i meccanismi sono abbastanza semplici. Attraverso il ri1ascio di più neurotrasmettitori dalle terminazioni pre-sinaptiche all'arrivo dell'impulso, regolando la sensibilità del neurone post-sinaptico che riceve il segnale, lo stessò input può produrre un cambiamento minore o maggiore nella tensione nel neurone post-sinaptico e di conseguenza rafforzare o indebolire la connessione.

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. Oltre al processo di trasmissione sinaptic:a esiste un altro aspetto cruciale: la pulizia. La comunicazione attraverso la sinapsi potrebbe fallire se il golfo non venisse sgomberàto con rapidità per permettere . a un altro messaggio di essere inviato. È stato ampiamente compreso che le· glia al confine della fessura Sinaptica portano avanti quest' ope~ razione di pulizia. Le molecole di proteina della membrana gliale pompano il neurotrasmettitore fuori della fessura sinaptica finoagli astrociti - uno dei quattro tipi principali di .cellule della glia ...:. dove viene rielaborato. Dopo aver filtrato e riciclato il neurotrasmettitore sotto una forma inerte che non possa esser confusa per un segnale, l'astrocita che circonda la sinapsi riporta la sostanza rielaborata verso . il nervo pre-sinaptico terminale. Il neurone esegue poi una semplice . reazione chimica per convertire il neurotrasmettitore inerte in neuro.trasmettitore attivo e 10 rispedisce alle vescicole sinaptiche .. Gli astrociti forniscono anche una fonte di energia per i neuroni: ' il lattato - la stessa sostanza che dona allo yogurt il suo gusto inten- .. · so. GHastrociti trasportano il carburante in prbporzicme alla· richiesta neuronale. Le funzioni di guardiano subordinato da parte delle glia harino destato poco interesse in molti neuroscienziati; tuttavia oggi alcuni ritengono che la dipendenza delle sinapsi neuronali dall'azione èli mantenimento delle cellule della glia potrebbe investirle delle risorse per controllare completamente la sinapsi. . Qualora il· neurotrasmettitore non venisse assorbito in modo efficace, la comÙnicazione lungo la sinapsi rischierebbe di fallire in ·quanto il golfo si saturerebbe di vecchi messaggi. Nel caso iil cui il neurotrasmettitore venisse invece assorbito troppo velocemente, il messaggio non apparirebbein un tempo necessario per avere pie-'·' no effetto sulla cellula post-sinaptica. Se la richiesta di energia di ùn · neurone non venisse soddisfatta dal nutrimento fornito da.ll'astrocita, :il neurone termìllerebbe la benzina. Gli astrociti assumono pertanto una posizione di controllo.

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Finché gli scienziati analizzeranno .le glia ton gli stessi elettrodi · utilizzati per lo studio dei neuroni falliranno nel loro tentativo di scoprire quali funzioni svolgono nel nostro cervello e nei nervi. Sicc6me le glia non generano impulsi elettrici, studiare in che modo comunicano e interagiscono con i neuroni ha .richiesto l'impiego di una tecnica innovativa chiamata calcium imaging - lo stesso procedimento· che mostrò le cellule diSchwann nell'atto dirispondere agli impulsi elettrici negli assoni. Indagheremo sui nuovi esperimenti di calcium imaging a breve, ma prima è necessario apprendere qualcos~ in più sulle cellule della glia in tutte le loro varianti.

Le componenti. cellulari. dell' «altro cervello» Oggi sappiamo che oltre ai neuroni esistono· quattro tipi principali di glianel tessuto nervoso. Due cellule gliali, le cellille di Schwann nei nervi e gli oligodendrociti nel cervello e nella colonna vertebrale, formano la guaina mielinica degli assoni. Sparsi nel cervello e nel 'midollo spinale ci sono inoltre gli astrociti e le cellule della microglia. Queste ultime proteggono il cervello dalle malattie e dalle ferite, e hanno per- . tanto un ruolo centrale nella cura dei danni cerebrali nelle lesioni del midollo spinale. Indizi allettanti indicano la possibilità che tutti i tipi di glia possano percepire e rispondere all'attività elettrica neuronale. Immaginate le implicazioni. L'azione elettriea dei neuroni trasmette le nostre percezioni, esperienze, pensieri e umori. Le cellule della glia svolgono ruoli talmente variegati nel nostro sistema nervoso che una vasta gamma di funzioni cerebrali potrebbero essere influenzate dalle glia se queste fo_ssero.in grado di avvertire l'attività degli impulsi nervosi. Reazioni alle infezioni da parte del sistema immunitario, isolamento degli.assoni, ~ollegamento e ricollegamento del cervello, guarigione da malattie cerebrali e lesioni: il tutto potrebbe essere influenzato dall'attività degli impulsi che agiscono attraverso le glia.

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Le cellule della glia sono sei volte più numerose dei neuroni ma2il rapporto esatto varia a seconda delle diverse aree del sistema nervoso. Così come il rapporto tra uomini e donne è in media di uno a uno, lo stesso può variare sensibilmente in luoghi differenti'. Per esempio,il rapporto tra i sessi può essere di dieci a uno nel salone di un barbiere e l'esatto opposto in un negozio di stoffe. Lungo i nervi o nei tratti di sostanza bianca nel cervello, il rapporto delle glia rispetto ai neuroni può essere di uno a cento, in quanto un assone può essere inguainato. dalle cellule gliali che formano la mielina e sono distribuite a circa un millimetro di distanza lungo rintera lunghezza dell'assone. Nel lob.o frontale umano il rapporto tra 'astrociti e neuroni è di quattro a uno, rnentre le balene e i delfini hanno nei loro giganteschi prosencefali .sette astrociti per ogni neurone: è il numero più elevato che si possa trovare nei mammiferi e nessuno ne conosce la ragione. Lè balene e i delfini sono creature estremamente socievoli e molto intelligent~. È probabile che, come accadeva nella corteccia di Einstein, una più· ampia proporzione di glia abbia favorito in qualche modo l'evidente intelligenza deWanimale. Le balene, tuttavia, potrebbero necessitare di un numero maggiore df cellule della glia per mantenere i neuroni in buona salute durante le lunghe .immersioni in apnea negli abissi dell'oceano. Fuori dal cervello, nei nervi del corpo, vi è un tipo diverso di cellule gliali intorno agli assoni: le cellule di Schwann. Furono le prime cel-~ lule della glià che studiai nel dettaglio tramite l'esperimento descritto nelle pagine precedenti.

Le cellule di Schwann Il mio pensiero tornò a. Theodor Schwann, l'uomo che diede il nome alle stesse cellule che io e Beth vedemmo illuminarsi nel momento iri cui l'assone si attivava.

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Cosa avrebbe pensato Theodor Schwann se avesse potuto osservare quello che avevamo appena visto - le glia che avvertono gli impulsi dei neuroni? Molti credono che nel momento in cui avviene una scoperta vi sia uno scoppio di euforia paragonabile ·a quando si raggiunge il p!cco di una montagna e si scruta il mondo sottostante o all'entusiasmo divillcere un gran premio. Certamente vi sono'tracce diquella euforia nella particolare miscela di emozioni seguite all'evento, ma nel mio caso il sentimento più travolgente è di gratitudine e stupore. La natura ha svelato perla prima volta nella storia un segreto a lungo· nascosto. Si p~ova un forte senso di· gratitu,dine e vicinanza agli altri scienziati di ogni luogo e tempo che hanno collaborato a svelare que~ sto mistero. Studiosi che hanno condiviso la stessa curiosità e hanno . lasciato tracce scritte su libri e riviste, sentendo di aver trovato i frammenti di un grande puzzle' difficile da riassem.blare, nella speranza . cheiri futuro qualcuno possa prenderli e ricomporli per scoprire quéi. segreti che la natura ha nascosto loro. Da bambino Schwann mostrò di essere particolarmente dotato e come scienziato era mo~to in anticipo sui tempi - troppo ill anticipo .. Nella prima della metà del XIX secolo gli studiosi anali~zarono la materia delle creature viventi chie-. dendosi come la vita fosse strutturata nella forma più basilare. Cosa rese le forme animate così distinte da quelle inanimate? In quell'epoca la chimica si distaccò dall'alchimia: per spiegare le trasformazioni della mate'ria come iÌ risultato delle fondamentali proprietà degli atomi, origine di tutte le cose. Theodor Schwannnon solo scoprì uno dei quattro maggiori tipi di cellule della glia, ma ci fornì):i teoria della cellula stessa (Florkin 1975). Schwann fu una persona sensibile, devota e modesta per natura. Ottenne una laurea in Medicina a Berlino all'età.di ventiquattro anni, sotto la guida del rinomato studioso Johannes Mtiller. All'età di ventinove anni sviluppò la teoria secondo cui ogni esserevivente è composto da cellule. Definì la cellula una struttura avvolta in una membrana attorno al nucleo. Suggerì che le cellule potessero aùtoriprodursi e

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mutare da forme semplici in complesse, che potessero assemblar~i in gruppi, costruire strati o affossare masse di cellule (forse intende~ va fibre!?) negHorgani per poi formare un intero corpo umano. Egli suggerì· che tutte le piante e gli animali - ogni sostanza. del co:rpo, dall'osso al tendine, dalla 'pelle al sangue - fosse formata di cellille, · \ · ognuna avvolta in un si~golo nucleo (lvi: 242). · Sconvolgendo le dottrine teologic4e riconosciute, Schwann sosteneva che il corpo non fosse infuso da. una forza misteriosa ma èhe operasse in accordo alle cieche leggi delle natura, allo stesso modo in cui le leggi fisiche governano la materia inorganica. Nonostante fosse un cattolico devoto, arrivò a credere che-laforza vitale emergesse da un'azione combinata delle proprietà fondamentali delle forze della natura nel mondo inorganico, così da originare la vita. hnmaginò che le cellule viventi si generassero dalla materia biologica, come una cristallizzazione del mondo inorganico e che, una volta formatesi, pot~s­ sero mutare guidate dalle forze della chimica fisica e della fisica .. Fi- · losoficamente rubò la forza vitale del è:reatore per spostarla sul piano della fisica e della chimica. . La sua breve e brillante carriera scientifica durò dah834 al 1839; negli ultimi anni; infatt~, il suo lavoro subì un attàcco particolarmente .feroce da parte dei rinomati chimici tedeschi Justus Liebig e Friedrich Wohler, i quali ridkolizzaronb le idee di Schwann in una famosa rivista scientifica. Si burlarono della teoria secondo la quale la fermentazione alcolica fosse il risultato dell'azione delle cellule (lievito) sullo zucchero, dipingendo in maniera offensiva una cellilla secernente gas da ani immaginari e urina alcolica da vesciche a forma di bottiglie dì vino. Al tempo, l'idea predominante era che lo zucchero si trasfor~ masse in alcol attraverso una reazione chimica che includeva la presenza di aria e sostanze azotate contenute nei succhi della frutta. In confronto a questa chimica di facile intuizione, la teoria di Schwann, .di microbi microscopici (lieviti) che consumanozucchero e rilasciano anidride carbonica e alcol come un sottoprodotto metabolico, appa-.

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riva risibile e le autorità più alte in campo scientifico se ne burlarono apertamente. Umiliato, passò il resto della propria vita in relativo isolamento, soffrendo episodi di depressione· e ansia e rinunciando · alle proposte accademiche e ai fondi di cui avrebbe avufo bisogno per proseguire nella ricerca. Come se la teoria cellulare e l'individuazione delle glia non fossero abbastanza, egli fece altre importanti scoperte nèl corso della sua breve ma brillante.carriera scientifica. Sospettando che nella digestione vi fosse di più dell'acido idrocloridrico, scoprì uno dei principali enzimi di questo processo, la pepsina che rompe le proteine alimentari; inoltrè, dimostrò anche il ruolo fondamentale della bile. In breve tempo il mondo della scienza riconobbe a Schwann le su.e brillanti intuizioni. Nel 1847 la traduzione inglese della sua ricerca fondamentale, Micro~kopische Untersuchungen, venne proclamata «meritevole di essere considerata come uno dei passi più importanti che la scienza della fisiologia abbia mai fatto» (Ivi: 244). Nessuno rideva più, ma oramai Schwann aveva smesso 'di lavorare in laboratorio. Divenne inventore di macchine per l'industria mineraria, progettando pompe per asportare l'acqua dalle miniere di carbone e un sistema respiratorio per le operazioni di salvataggio che avrebbe poi consentito ai sommozzatori di camminare sul fondo dell'oceano. Oggi molte persone rendono regolarmente omaggio a Schwann con piccoli segnali di cambiamento. Nel r88o Caleb Bradham, urt farmacista di New Bern nel North Carolina, sviluppò un prodotto per favorirela digestione che rivendicava l'uso della pepsina come principio attivo. Il nome di questo popolare tonico è Pepsi èola. Ma cosa sono queste cellule di Schwann c;he si aggrappano all'as. sone ricordando un filo di perle appiattite? Cosa fanno? Da dove provengono? Schwann e altri anatomisti dell'epoca utilizzavano aghi di vetro finissimo per solleticare con CL~ra i nervi ed esaminarne le fibre allargate sotto un microscopio. Visto in questo modo, il nervo si presentava

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come un ammasso di centinaia di sottili e microscopiche fibre .,... gli assoni - essendo chiaramente ognuno un canale per l'energia ner-Yo~ · sa di sensazioni ed emozioni. Ogni assone era punteggiato per tutta la lunghezza da catene di cellule che assomigliavano a gocce di rugiada su fili di una ragnatela. · Come un idraulico sistema i segmenti di tubature che va1:mo dal lavandino alla fognatura, Schwan:h immaginò che l'assone che partiva da ogni cellula nervosa si generasse nel feto attraverso una catena di piccole cellule unite formando per fusione un lungo tubo assonico cilindrico. Suppose che le cellule attaccate lungo l'assone fossero residui delle cellule fetali. Le cellule di Schwann, così come le conosciamo oggi, potrebbero essere semplici residui vestigiali senza alcuna funzione aggiuntiva, come nel caso dell'ombelico negli individui adulti, un segno lasciato da una struttura embrionica in disuso. Oppure queste cellule potrebbero supportare o nutrire l'assone nei nervi adulti; una·ragionevole supposizione, questa, ·avanzata da altri studiosi che tengono in considerazione la grande distanza, fino a un metro, tra l'estremità dell'assone eil corpo cellulare del neurone. Anzi. ché trasportare il nutrimento dal corpo cellulare del neurone fino alla punta dell'assone, le cellule di Schwann potrebbero trasferirlo localmente, approvvigionando ogni segmento dell'assone, dal corpo cellulare fino all'estremità. La risposta a queste domande sulle cellule di Schwann potrebbe non arrivare prima di sessant'anni, ma quella su come le cellule gliali si sono formate ci è stata fornita da un altro pioniere della scienza, un uomo radicalmente differente da Theodor Schwann.

Il marinaio della mel'\te: Fridtjof Nansen Se Theodor Schwann nel mondo della scienza rappresenta la personalità sensibile e timida, Fridtjof Nansen è l'opposto. Vissuto tra il 1861eil1930, è famoso per le sue spedizioniaitiche, ma pochi sanno

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che questo avventuriero norvegese iniziò la sua carriera come esploratore del sistema nervoso. Sin da giovane fu un avido amante· degli spazi aperti e quando .ebbe l'opportunità di unirsi a una spedizione e di imbarcarsi su una nave che salpava a nord, alla volta della Groen- ·' lanciia, Nansen, al tempo studente di zoologia all'università di Chri. stiana - oggi conosciuta come Oslo - ne fu entusiasta. I suoi studi su piccoli vermi parassitici, effettuati durante la spedizione e pubblicati nel 1885, rimangono un classico della disciplina . . L'attrazione verso il misterioso lo portò a intraprendere un'avven.turosa traversata della Groenlandia sugli sci. Nel 1888 un marinaio norvegese lasciò Nansen e i S,?oi cinque compagni sul mare ghiacciato allargo della Groenlandia. Lui e i suoi uomini scalarono montagne, resistettero a temperature inferiori ai cinquanta gradi sotto zero e sciaronoat:traverso le tremende nebbie ele tempeste di'neveper raggiungere la costa ovest tre mesi dopo. Lì soprawissero tutto l'inverno,. vivendo assieme agli eschimesi (Inuit) e imparando le loro abitudini (Nansen 1897; Multhauf 1978). .. Più tardi Nansen sviluppò la teoria secondo la quale vi sarebbe una corrente marina che dalle coste della Sib~ria scorre sotto i ghiacci del mare Artico fino alla Groenlandia. Per provarla, propose di incagliare nei ghiacci una nave appositamente progettata in modo che cavalcasse la corrente fino alla sua destinazione. L'imbarcazione, chiamata Fram, fu incastrata di proposito nei ghiacci a 78° 50' di latitudine Nord e trasportata· verso nord, quasi in prossimità del Polo, assieme alla calotta glaciale. Il i:4 marzo 1895. Nanseri e il compagno di bordo Hjalmar Johansen decisero di lasciare il rifugio della Fram é di intraprendere una marcia sui cani da slitta alla volta del Polo Nord, partendo da una latitudine di 85° 55' Nord. Senza alcun piano certo per riunirsi, i compagni di bordo salutarono il capitano e il suo compagno mentre si avviavano verso un'esplorazione che probabilmente li avrebbe portati a una gelida e desolata morte. I dueJottarono intrepidamente attraverso il rigido Artico da soli'. diretti verso la meta all'estremo capo del mondo, .

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ma dovettero fare marcia indietro a causa di un insuperabile bloccti di ghiaccio a soli 430 chilometri dal loro obiettivo. La loro conquista li portò a raggiungere il punto più settentrionale mai toccato prima d9- altri esploratori noti. Durante l'inverno sopravvissero all'arida solìtudine artica uccidendo uno alla volta i loro cani da slitta per nutrire loro st~ssi e i cani rimasti. Soli nei ghiacci dell'Artico, condividendo lo stessorsacco a pelo per riscaldarsi, sopravvissero ai nove mesi successivi vivendo in un piccolo rifugio costruito con ossa di balena e pelli di orsi polari e trichechi che uccisero per fame. Resistettero adottando le tecniche che Nansen aveva appreso dagli eschimesi l'inverno precedente. . Nel frattempò la Fram continuò il suo lento spostamento ,incastrata nel mare ghiacciato, mentre le travi scricchiolavano sotto la costante minaccia di naufragio a causa. dell'enorme pressione a cui era sottoposta. Quando finalmente il vascello raggiunse il mare aperto, seguendo il freddo ritmo dei banchi di ghiaccio, la ciurma liberò con la dinamite la nave dal suo rivestimento e condusse la malandata frnbarcazione fino a casa senza problemi e senza però il capitano e il suo compagno di viaggio .. Alla fine di un altro gelido inverno, e dopo numerose battaglle con gli orsi polari, in maggio Nansen eJohansen vennero finalmente salvati, quando, dopo aver camminato sui banchi di ghiaccio e pagaiato sulle gelide acque· che li dividevano utilizzando kayak improvvisati, raggiunsero l'avamposto di una spedizione inglese. Dopo quasi tre anni soli nell'Artico, i due gioirono nel riunirsi nuovamènte ai loro compagni. . Nansen fece numerose scoperte nel campo delfoceanografia, inventando addirittura speciali dispositivi per l'esplorazione deifondali · oceanicì. La bottiglia di Nansen, che io ancora usavo negli anni Ottanta per prekvare campioni d'acqua, fu una sua invenzione. Egli ricevette il premio Nobel nel 1922, non per la scienza ma per la pace. In quanto delegato norvegese alla Società delle Nazioni venne insignito del premio per le sue att;ività umanitarie a favore dei rifugiati di guerra.

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L'esploratoredell'Artico incrociò lungo il suo cammino famosi studiosi del sistema nervoso. Nel 1888 Nansen conseguì il dottorato di ricerca per i suoi studi sul sistema nervoso e da Oslo viaggiò in Italia . dove visitò il laboratorio di Camillo Golgi a Pavia. Lì conobbe la tecnica dell'impregnazione cromoilrgentica in grado di mostrare le cellule nervose in mànier.a chiara e distinta. Nansen continuò a descriverei nervi e le cellule gliali delle lamprede, grotteschi pesci simili a tacchi, ricoperti di muco e dalla bocca aspirante priva di mascelle. Questo animale è biologicamente importante in quanto rappresenta la più antica specie di pesce vivente e i suoi progenitori sono gli antenati di tutti gli animali provvisti di spina dorsale (anfibi, rettili, uccelli e mammiferi). Nansen voleva tracciare il percorso sensoriale all'interno del sistema nervoso centrale. Studiando questa forma di primitivo vertebrato e comparandone l'anatomia del sistema nervoso con quella di altri animali, Nansen fece la straordinaria scoperta che tutJ:e le fibre nervose· all'ingresso del midollo spinale si dividevano immediatamente in due gruppi. Uno saliva lungo la colonna fino al cervello, mentre l'altro · gruppo correva in basso verso la coda. Tale strutfura - che governa il percorso di entrata di tutte le sensazioni nel s~stema nervoso - è valida per tutti gli animali, daì pesci agli esseri umani. Ancora più degno di nota della sua acuta percezione era ciò che non era in grado di osservare. Nansen non poteva semplicemente vedere ciò che il suo rinomato mentore Camillo Golgi si sforzò di mo" · strargli: la connessione che fondeva le cellule inuna rete. Ogni cellula . nervosa colorata èon il metodo di Golgi appariva ai ,suoi occhi come un'isola. a sé stante. Così come andò vicino al raggiungimento del Polo Nord, Nansèn arrivò vicino alla piena comprensione della cellula come unità individuale. Se avesse creduto alla sua stessa osservazio~e, per la quale le cellule nervose non erano fuse in una rete come insisteva il suo mentore, avrebbe potuto formulare la teoria dei neuroni prima di Ramon Y Cajal, il qualè, l'anno in cui Nansen ricevette il suo dottorato, aveva appena iniziato i suoi studi in materia. ·

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La visione predominante all'epoca di Nansen voleva che le "Schwann fossero simili al tessuto conne.ttivo che lega tutte le cellule, Si credeva, inoltre, che derivassero da _cellule embriologiche in grado di generare tessuto connettivo piuttosto che da cellule embrionali .specializzate che infine generano tessuto nervoso. Questo. presunta man~ . . canza di pedigree era una delle ragioni per cui le cellule di Schwann . vennero presto liquidate dai neuroscienziati come colla cellulare. Dalle esplorazioni sperimentali delle suddette cellule, però, Naiisen arrivò a concludere che il pensiero comune era errato e che cellule di Schwann avevano la stessa regale genealogia che aveva dato vita ai neuroni. Il famoso embriologo Ross G. Harrison dimostrò la teoria.di Nansen sull'origine delle cellule di Schwann rimuovendo da alcuni embrioni di rana il tessuto primordiale che genera i neuroni. La conseguenza fu che non rimasero cellule di Schwann dopo la maturazione dell'embrione. L'esperienza comune impedì agli studiosi di porsi la domartda:Cpiù ovvia: se le cellule della glia si originassero davvero dalla stessa linea cellulare dei neuroni, questo cosa comporterebbe rispetto alle funzioni che queste cellule sarebbero in grado di assolvere? Nansen, a ogni modo, dopo aver esplorato con attenzione il sistema nervoso degli animali, nel. 1866 gii,mse alla conclusione che nelle glia vi potesse essere «la sede dell'intelligenza in quanto [il loro numero] aumenta dalle forme animali più elementari a quelle più avanzate» (Galambos 1961). La legge dell'aumento del rapporto tra glia e neuroni nell'ascesa · .dalle forme di vertebrati più semplici a quelle più complesse è valida ancora oggi. Nansen, il pioniere, avrebbe potuto intravedere «l'altro· cervello» un secolo prima di chiunque altro. · Le cellule di Schwann ricoprono la fibra nervosa in tùtta la lunghezza fino al punto in cui ìl nervo entra nel midollo spinale• o nel cervello ma non ne attraversano la soglia. Il perché queste cellule si fermino in qµel punto è un enigma ancora irrisolto. Se sono cosìim. portanti perché non sono presenti nel cervello o nel midollo spinale? ~

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Inoltre, gli anatomisti scorsero immediatamente che non tutti gli assoni dei nervi erano rivestiti di cellule di Schwann; esse si intrecciano solo attorno agli assoni didimensioni più grandi. Iri questi ultimi centinaia di .cellule sono saldate a gruppi su tutta la lunghezza, come le perle di una collana, mentre negli assoni di piccole dimensioni non ve ne è alcuna traccia. Essendo assenti sia nel cervello sia in molti assoni dei nervi quale importanza potranno mai avere? Oggi sappiamo che le cellule di Schwann presenti nei nostri nervi possono avere tre forme diverse: le non-mieliniche, le terminali e quelle mieliniche, già descritte. È una prova del generale disinteres~e verso le glia il fatto che tutte e tre vengono racchiuse sotto lo stesso nome. Questo non sarebbe mai accaduto per i neuroni. Ogni cellula di Schwann ha una struttura completamente diversa e un'unica funzione. Gli assoni di piccole dimensioni non sono costellati di «perle», ma non sono neanche nudi, essendo infatti cablati insieme da immense cellule globulari che li stringono a grappoli come se fossero una manciata di spaghetti. Gli anatomisti chiamarono queste cellule-pugno cellule di Schwam1 «non-mieliniche», per distinguerle da quelle «mieliniche», ·simili alle perle. Queste cellule di Schwann pro·. tettive e non Ìnielinizzanti assicurano che nessuno dei più fragili e sottili assoni venga lasciato scoperto. Le cellule di Schwan non mielinizzanti scalzano anche l'ingegnosa opinione secondo cui gli assoni si formano durante lo sviluppo embrionico attraverso la reciproca connessione tra queste così da formare l'assone tubolare, giacché ogni cellula di Schwann non mielinizzante ingloba al proprio interno oltre una dozzina di assoni dipiccolo diametro. Alcuni dei primi neuroscienziati sospettarono che queste cellule della glia presenti nei nostri nervi avessero qualche funzione nascosta, ma quale fosse non era chiaro. Quando l'assone raggiunge il suo obiettivo - per esempio la sinapsi della fibra muscolare che provoca gli spasmi mu~ scolari - la sua punta viene completamente awolta da un'altra cellula gliale che isola la giunzione neuromuscolare come fosse una pellico-

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la per alimenti. Questa cellula viene denominata cellula di Schwann «terminale» o «perisinaptica» (perché circonda la sinapsi). Fino a non molto tempo fa gli scienziati credevano che avesse la funzione di isolare la terminazione nervosa. Negli ultimi anni quest'immagine ingenua.si è sgretolata.dopo che siè scoperto che le cellule terminali possono avvertire e controllare il flusso di informazioni che daL nervo va al muscolo. Per il momento dobbiamo comprendete che le cellule di Schwann si dividono in tre tipi principali: mieliniche, non~mieliniche e termi.nali. Nonostante la lorodiversità, ci si riferisce genericamente a loro semplicemente con il nome di cellule di Schwann in quanto i primi anatomisti. non le rkonobbero come cellule nervose. Come· apparirà chiaro, ognuna di esse adempie a funzioni molto diverse e i nostri nervi non lavorerebbero bene qualora una di loro risultasse difettosa. Un'immagine statica nasconde fa natura dinamica delle cellule di Schwànn: esse reagiscono con rapidi cambi strutturali, subisèono la divisione cellulare in caso di lesioni nervose e devono assolvere,a tutte le funzioni delle varie cellule gliali specializzate che si trovano nel sistema nervoso centrale (SNC). , Ignorate per decenni in quanto non vi era motivo per immaginare che potessero avere urta funzione nel passaggio di informazioni attraverso i nostri neryi, il mistero di cosa avevo appena visto era di fronte a me sullo schermo del computer: nel nostro esperimento, le cellule di Schwann lungo ·l'assone avevano in· qualche· modo individuato il passaggio dell'impulso.attraverso la fibra nervosa. In che modo ifoscivano a raccogliere i segnali degli impulsi elettrici negli assoni? E, domanda ancora più affascinante, perché avevano bisogno di inserir~· si nell'informazione che scorreva attraverso la cellula m:rvosa? Cosa avrebbero fatto delle informazioni raccolte? Erano queste le domande che mi balenarono in mente mentre schiacciai il pulsante e vidi le luci delle cellule di Schwann affievolirsi lentamente fino a che lo schermo tornò all'ombra oscura dei neuroni silenziosi.

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Oligodendrociti: il giardino.deila piovra Quanta importanza acquisiscono le cellule di Schwann se non esistono cellule gliali paragonabili alf interno del nostro cervello o del nostro midollo spinale? Gli assoni che penetrano nel cervello lasciano indietro le loro compagne gliali mentre si insinuano nella rete neurale del sistema nervoso centrale. I primi ariatoinisti cercarono con attenzione nel cervello e nel midollo spinale delle cellule che assomigliassero alle Schwann, ma non ottennero alcun risultato. A ogni modo la loro ricerca portò alla scoperta degli oligodendrociti: le ultime cellule gliali a essere individuate, un nuovo rompicapo per gli anatomisti. Come gli astrociti, anche gli oligodendrociti si trovano solo all'intèrno del cervello e del midollo, e mai nei nervi. Quando il mistero che lì riguardava venne finalmente risolto, la forma di interazione neurone-glia più apprezzata e complessa venne svelata - un'elegante associazione tra assoni e glia assolutamente necessaria per la conduzione ad alta· · velocità degli impulsi: la mielina. Il nome oligodendodti sfa per «assoni tozzi» o «ramificazioni corte». Gli anatomisti potevano facilmente riconoscerli dal loro corpo cellulare _compatto e dalle brevi ramificazfoni che si prolungavano all'esterno, come in una pianta di bardana. Il fatto che galleggiassero liberi e isolati attraverso tutta superficie del cervello, staccati dai , neuroni o da altre strutture cellulari, non forniva· alcun indizio circa la· loro possibile funzione. Ramon Y Cajal lasciò che fosse il suo studente. Pio del Rio-Hortega ad analizzarli, mentre lui esploràva i neuroni con feroce passione. Gli oligodendrociti possono essere osservati quasi dappertutto all'interno del cervello, ma sono particolarmente numerosi nei tratti di sostanza bianca che .stria fino al centro del cervello degli animali dotati di spina dorsale (pesci, anfibi, rettili, uccelli, mammiferi e esseri umani). La sostanza bianca è costituita da linee formate da migliaia di assoni uniti tra loro e in grado di portare i messaggi nei punti di-

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Gli oligodendrociti formano la guaina mielinica che isola gli assoni.

stanti del cervello. Gli anatomisti la potevano osservare con chiarezza al microscopio in quanto le linee principali erano di un bianco scintil- · lante. Ogni assone era rivestito da una sostanza che rifletteva la luce in modo brillante; nei fasci focalizzati dei microscopi ottici, l'assone somigliava ai rami di un albero ricoperti da una guaina cristallina di. ghiaccio formatasi in una tempesta invernale. · Semplici test mostrarono che il rivestimento bianco era una sostanza grassa; le tinture oleose potevano infatti colorarlo mentre quelle idrosolubili si spargevano come acqua su tela cerata. Stranamente, l'assone non era mai rivestito in maniera uniforme, anzi una serie di goccioline della guaina oleosa ne punteggiavano l'intera lunghezza

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I tre principali tipi di cellule gliali presenti nel cervello e nel midollo spinale disegnati da Ramon Y Cajal nel 1920. A) Un astrocita nella sostanza grigia; B) un astrocita nella sostanza bianca. Le termina~ioni si aggrappano ai vasi sartguigni nei quali gli astrociti travasano i nutrienti (glucosio) per alimentare 1 neuroni e smaltiscono gli ioni di potassio in eccesso raccolti dai neuroni nel flusso -sanguigno; C) microglia; D) oligodendrociti. ·

lasciando piccole macchie scoperte, Era questa la naturale struttura della guaina assonica oppure il fragile rivestimento era stato danneggiato dagli scienziati mentre, per poter osservare il singolo assone al microscopio, tentavano di districare le fibre intrecciate con l'ausilio di sottili aghi in vetro?

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. La guaina .di goccioline assoniche del cervello assomigliava al filo di perle formato da cellule di Schwann posate sui grossi assoni dei nervi ma, visto la mancanza di un nucleo, il rivestimento oleosq sembrò all'apparenza privo di cellule. I misteriosi oligodendrdcitibardana vagavano libed nel cervello come relitti. Come veniva depositato sull'assone questo materiale oleoso? Gliscienziati osservarono il processo mentre gli assoni venivano rivestiti durante lo svih,fppo, in quanto questa azione ha inizio negli stadi avanzati della vita' fetale e il rivestimento continua ad accumularsi negli animali giovani anche· dopo essere nati o schiusi. Era. impossibile con i microscopi dell'epoca dire .se.il rivestimento si deposit~va fuori dall'assone_ o s_~ invece si stipava sott6 la sua membrana cellulare. Se si fosse depositato all'esterno qualche altra cellula avrebbe potuto ricoprirlo, ma quale cellula? I primi anatom,isti erano bert consci delle limitazioni dei loro sistemi di colorazione. Come il metodo di Golgi aveva dimostrato~ una nuova macchia era in grado di svelarè una differente cellula, in precedenza invisibile. Rio-Hortega continuò a ritoccare la tecnica di impregnazione cromoargentica di Golgi utilizzando diverse combinazioni di sali metallici e trattamenti chimici sul tessuto cerebrale. All'im~ provviso tutto tornava! Una delle variazioni testate illuminò la vera struttura degli oligodedrociti. Quasi come· uno scherzo della natura, .Rio-Hortega capì che il nome «oligodertdrocita» diventava ironico. Le presunte ramificazioni tozze della cellula (o