Human neurons undergo protracted functional maturation into adulthood

Gli esseri umani sono unici tra i mammiferi per la durata della loro infanzia. Mentre un topo raggiunge la piena maturità fisica in poche settimane, il cervello umano continua a svilupparsi per decenni, una linea temporale che rispecchia il nostro prolungato periodo di apprendimento e crescita cognitiva. Per molto tempo, gli scienziati hanno compreso questo ritardo in termini di anatomia e genetica: sapevano che le connessioni tra le cellule cerebrali si formano lentamente, che l'isolamento attorno alle fibre nervose richiede anni per completarsi e che i geni che controllano lo sviluppo cerebrale rimangono attivi molto più a lungo negli esseri umani rispetto ad altri animali. Tuttavia, un tassello cruciale del puzzle rimaneva mancante. Nessuno sapeva esattamente quando le proprietà elettriche individuali delle cellule cerebrali umane stesse maturino, o come questa tempistica interna si confronti con lo sviluppo rapido osservato in altre specie. Senza questa conoscenza, era difficile capire come i mattoni fondamentali del cervello si trasformino dallo stato flessibile e pronto all'apprendimento di un bambino in quello di elaboratori precisi e ad alta velocità di un adulto.

Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di colmare questa lacuna ascoltando direttamente i segnali elettrici delle cellule cerebrali umane. Hanno raccolto tessuto dal lobo temporale, una regione coinvolta nella memoria e nel linguaggio, da 80 pazienti di età compresa tra dieci mesi e cinquantaquattro anni. Questi pazienti erano stati sottoposti a chirurgia per l'epilessia, e il tessuto rimosso per raggiungere le parti più profonde del cervello era abbastanza sano da poter essere utilizzato per lo studio. Gli scienziati hanno utilizzato una tecnica chiamata registrazione patch-clamp, che consiste nel posizionare un minuscolo tubo di vetro contro un singolo neurone per misurarne il comportamento elettrico. Si sono concentrati su un tipo specifico di cellula presente negli strati superiori della corteccia, che sono note per essere altamente diversificate negli esseri umani e critiche per il pensiero complesso. Misurando il modo in cui queste cellule rispondevano alle correnti elettriche, i ricercatori potevano tracciare come la loro capacità di ricevere segnali, scoccare impulsi elettrici ed elaborare informazioni cambiasse con l'invecchiamento dei pazienti.

I risultati hanno rivelato una linea temporale di maturazione molto più prolungata di quanto precedentemente immaginato. Nel cervello umano, le proprietà elettriche di questi neuroni non si stabilizzano nella loro forma adulta fino a ben oltre il terzo decennio di vita. Caratteristiche chiave, come la facilità con cui una cellula può essere eccitata per scoccare o la velocità con cui può resettarsi dopo l'impulso, cambiavano lentamente e costantemente nell'arco di trent'anni. Al contrario, quando i ricercatori hanno eseguito le stesse misurazioni sui topi, hanno scoperto che i cambiamenti equivalenti avvenivano in sole poche settimane. Le cellule cerebrali del topo raggiungono il loro stato elettrico adulto prima ancora che l'animale finisca di crescere fisicamente, mentre le cellule umane continuano a perfezionare il proprio macchinario elettrico molto tempo dopo che il corpo ha smesso di crescere. Ciò suggerisce che il cervello umano non sia solo una versione più grande di un cervello di topo, ma uno che opera su una tabella di marcia fondamentalmente diversa, privilegiando un lungo periodo di plasticità funzionale rispetto alla velocità.

Lo studio ha anche svelato una sorprendente divergenza nello sviluppo di queste cellule. Mentre i bambini crescono, le loro cellule cerebrali seguono un percorso di maturazione unico e condiviso. Tuttavia, durante l'adolescenza, questo percorso si divide in due distinti esiti adulti. Un gruppo di cellule si stabilizza in un modello di attivazione costante e regolare, mentre un secondo gruppo, che appare solo in tarda adolescenza, sviluppa una capacità unica di scoccare raffiche rapide. Questa capacità di scarica a raffiche (burst-firing) è assente nei topi adulti, ma è un tratto distintivo dei neuroni degli strati profondi negli esseri umani e nei primati che collegano parti distanti del cervello. I ricercatori hanno scoperto che queste cellule che scoccano a raffiche sviluppano anche un filtro elettrico specifico che permette loro di sintonizzarsi su segnali a frequenza più elevata, una caratteristica che probabilmente supporta la comunicazione complessa a lungo raggio necessaria per l'avanzato pensiero umano. L'emergere di questo secondo tipo di cellula coincide con il periodo in cui la cablatura a lungo raggio del cervello viene finalizzata, suggerendo che le cellule stiano maturando in sincronia con le connessioni fisiche che utilizzeranno in seguito.

Per dare un senso a questi dati complessi, i ricercatori hanno costruito un modello al computer in grado di simulare il comportamento elettrico dei neuroni umani a qualsiasi età. Questo strumento, che hanno messo a disposizione di altri scienziati, agisce come una tabella di crescita per le cellule cerebrali. Permette ai ricercatori di confrontare le proprietà elettriche di un piccolo campione di cellule di un paziente con lo sviluppo normale atteso per l'età di quella persona. Questo è particolarmente utile per studiare i disturbi neurologici, poiché aiuta a distinguere tra un problema causato da una malattia e una variazione che è semplicemente parte dello sviluppo normale. Il modello conferma che la lenta e prolungata maturazione dei neuroni umani non è un difetto, ma una caratteristica deliberata della nostra biologia. Fornisce al cervello una lunga finestra di flessibilità, permettendogli di apprendere e adattarsi all'ambiente prima di bloccarsi nella stabile elaborazione ad alta velocità richiesta dalla cognizione adulta.

Le scoperte sfidano l'assunto che le impostazioni elettriche interne del cervello siano fissate precocemente nella vita. Al contrario, mostrano che il cervello umano rimane in uno stato di flusso funzionale per decenni, con le sue unità di base che si regolano costantemente in termini di sensibilità e velocità. Questa linea temporale estesa si allinea perfettamente con l'esperienza umana dell'apprendimento, dove la capacità di assorbire nuove informazioni e perfezionare le abilità continua ben oltre l'età adulta. Mappando questi cambiamenti, lo studio fornisce un nuovo quadro per comprendere lo sviluppo umano, mostrando che la differenza tra il cervello di un bambino e quello di un adulto non risiede solo nel numero di connessioni, ma nella natura stessa di come quelle connessioni scoccano e comunicano. Il cervello umano, si scopre, si prende il suo tempo per diventare se stesso, perfezionando la propria voce elettrica nel corso di una vita per raggiungere la complessità che definisce la nostra specie.