Optogenetic activation of parabrachial tachykinin1 neurons drives nonphotic circadian entrainment

La maggior parte degli esseri viventi, dai minuscoli batteri agli esseri umani, funziona grazie a un orologio interno che ticchetta all'incirca ogni ventiquattro ore. Questo ritmo detta quando dormiamo, quando mangiamo e come i nostri corpi si preparano per la giornata. Per i mammiferi, questo cronometrista interno è impostato principalmente dalla luce. Quando il sole sorge, segnala al cervello di svegliarsi; quando tramonta, il cervello si prepara al riposo. Questo sistema è così dominante che gli scienziati hanno a lungo creduto che fosse l'unico modo affidabile per resettare il programma del corpo. Tuttavia, la vita è raramente così semplice. Esistono momenti in cui un'esperienza improvvisa e intensa — come uno spavento o una minaccia — può costringere un animale a ribaltare completamente la propria routine quotidiana, spostando le proprie ore di attività dalla notte al giorno. Per molto tempo, la circuitazione cerebrale dietro questo drastico cambiamento è rimasta un mistero, nascosta dietro le note vie di rilevamento della luce.

Recentemente, i ricercatori si sono posti l'obiettivo di scoprire come la paura possa scavalcare la luce per resettare l'orologio interno di un mammifero. Si sono concentrati su un tipo specifico di stress: una scossa elettrica ai piedi, notturna, somministrata a roditori mentre stavano cercando cibo lontano dalla sicurezza del loro nido. In natura, questo imita l'attacco di un predatore. Quando ciò accade, gli animali non si limitano a sussultare; riorganizzano fondamentalmente la propria vita, spostando la ricerca di cibo e l'alimentazione durante il giorno per evitare il pericolo. Per trovare l'interruttore neurale che rende possibile questo processo, gli scienziati si sono rivolti a una parte del cervello chiamata nucleo parabrachiale. All'interno di questa regione, hanno identificato un gruppo specifico di neuroni che producono un messaggero chimico noto come tacichinina 1. Queste cellule agiscono come una stazione di rilancio per i segnali di dolore e paura.

Il team ha utilizzato una tecnica chiamata optogenetica per testare se questi neuroni specifici fossero la chiave. Questo metodo permette agli scienziati di accendere o spegnere singole cellule cerebrali con la luce. Hanno proiettato una luce sui neuroni produttori di tacichinina nel nucleo parabrachiale mentre i topi erano attivi durante le loro normali ore notturne. Il risultato è stato immediato e sorprendente. L'attivazione artificiale di queste cellule ha causato un cambiamento completo del comportamento dei topi, spostando il loro periodo di attività al giorno, proprio come se fossero stati colpiti da un predatore. Ciò ha dimostrato che l'attivazione di questo specifico gruppo di cellule è sufficiente a guidare l'intero sistema circadiano verso una nuova fase, senza alcun bisogno di luce o di un reale pericolo fisico.

Per capire come questo segnale viaggi, i ricercatori hanno tracciato le connessioni da questi neuroni all'amigdala centrale, una regione del cervello profondamente coinvolta nell'elaborazione della paura. Quando hanno stimolato solo i fili che collegano il nucleo parabrachiale all'amigdala centrale, i topi hanno comunque subito uno spostamento dei propri ritmi, ma il cambiamento era minore rispetto a quando venivano stimolati direttamente i corpi cellulari nel nucleo parabrachiale. Ciò ha suggerato che, sebbene la connessione con l'amigdala sia importante, l'effetto completo richiede l'attivazione più ampia dei neuroni sorgente. Lo studio ha poi compiuto un passo cruciale per vedere se l'amigdala stessa avesse bisogno di un orologio interno funzionante per elaborare questo segnale di paura. Gli scienziati hanno rimosso un gene fondamentale dell'orologio, noto come Bmal1, specificamente dalle cellule nell'amigdala centrale. Senza questo gene, i topi non potevano più spostare i propri ritmi in risposta al segnale di paura. Rimanevano bloccati nel loro programma originale, incapaci di adattarsi alla minaccia percepita.

Queste scoperte rivelano che il cervello possiede una via secondaria per impostare l'orologio quotidiano, una che opera indipendentemente dal principale centro di rilevamento della luce. Dimostrano che un gruppo definito di neuroni sensibili alla paura può riorganizzare l'intero programma quotidiano di un animale coinvolgendo una rete di orologi al di fuori del tradizionale hub di elaborazione della luce. Fondamentalmente, questo nuovo percorso si affida al fatto che l'amigdala centrale abbia il proprio orologio molecolare intatto per funzionare. Il lavoro dimostra che la capacità del cervello di adattarsi al pericolo non è solo una reazione momentanea, ma una profonda riorganizzazione sistemica del tempo stesso, guidata da circuiti neurali specifici che possono scavalcare il solito dominio della luce.