α2δ-2 mediates coupling of presynaptic calcium entry to vesicle release in hippocampal parvalbumin-expressing interneurons

Il cervello si affida a un delicato equilibrio tra i segnali che eccitano i neuroni e quelli che li calmano. Quando questo equilibrio pende troppo verso l'eccitazione, il risultato può essere una crisi epilettica, un improvviso aumento dell'attività elettrica che interrompe la normale funzione. Per mantenere questa stabilità, il cervello utilizza cellule speciali chiamate interneuroni, che agiscono come i freni del sistema nervoso. Queste cellule rilasciano un messaggero chimico noto come GABA, che rallenta i neuroni vicini, impedendo loro di scaricare troppo rapidamente. Affinché questo sistema di frenata funzioni, gli interneuroni devono essere in grado di rilevare quando arriva un segamento elettrico e rilasciare istantaneamente il proprio carico chimico. Questo processo dipende da minuscoli pori nella membrana cellulare chiamati canali del calcio, che permettono al calcio di entrare per innescare il rilascio. Tuttavia, questi canali spesso hanno bisogno dell'aiuto di piccole proteine partner per funzionare correttamente, e gli scienziati stanno ancora imparando esattamente come funzionano queste partnership in diverse parti del cervello.

Un team di ricercatori ha recentemente rivolto la propria attenzione a una specifica proteina partner chiamata alfa-2-delta-2, che appartiene a una famiglia di molecole che assistono i canali del calcio. Si sono concentrati su un gruppo di cellule inibitorie nell'ippocampo, una regione del cervello vitale per la memoria, che sono caratterizzate da una proteina chiamata parvalbumina. Queste cellule parvalbumina-positive sono note per essere ricche della proteina partner alfa-2-delta-2, e studi precedenti avevano dimostrato che i topi privi di questa proteina soffrono di crisi epilettiche spontanee. I ricercatori volevano comprendere il legame meccanico tra la proteina mancante e le crisi epilettiche. Si sono chiesti se l'assenza di questa proteina partner riducesse semplicemente il numero di queste cellule frenanti, o se avesse rotto il macchinario all'interno delle cellule che permette loro di rilasciare i loro prodotti chimici calmanti in primo luogo.

Per trovare la risposta, gli scienziati hanno preparato sottili fette di tessuto cerebrale da topi privi della proteina alfa-2-delta-2 e le hanno confrontate con fette provenienti da topi normali. Hanno prima osservato l'attività complessiva nel giro dentato, un'area specifica dell'ippocampo. Hanno scoperto che nei topi privi della proteina l'equilibrio dei segnali era cambiato; i segnali eccitatori erano più forti rispetto a quelli inibitori. Per vedere se ciò fosse dovuto al fatto che le cellule frenanti non riuscivano a scaricare, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata optogenetica, che permette agli scienziati di attivare e disattivare cellule specifiche con la luce. Quando hanno fatto risplendere la luce per attivare le cellule parvalbumina-positive, i topi normali mostravano un forte rilascio di segnali inibitori. Al contrario, i topi senza la proteina alfa-2-delta-2 producevano correnti inibitorie drasticamente minori, indicando che le cellule stavano facendo fatica a svolgere il proprio compito.

Il team ha poi indagato se le cellule fossero semplicemente mancanti o se fossero presenti ma malfunzionanti. Utilizzando una colorazione del tessuto per visualizzare le cellule, hanno scoperto che nei topi mutanti c'erano effettivamente meno connessioni da queste cellule inibitorie verso i loro neuroni bersaglio. Tuttavia, il problema andava più a fondo rispetto alla semplice perdita di connessioni. Anche le connessioni rimaste erano funzionalmente compromesse. I ricercatori hanno misurato la probabilità che le cellule rilasciassero il loro messaggero chimico e hanno scoperto che era significativamente inferiore nei topi mutanti. Inoltre, hanno osservato che la scorta di pacchetti chimici pronti per il rilascio, noti come vescicole, era minore rispetto ai topi normali.

Infine, gli scienziati hanno esaminato quanto bene i canali del calcio fossero collegati al rilascio di queste vescicole. Manipolando i livelli di calcio all'interno e all'esterno delle cellule, hanno dimostrato che la connessione tra l'ingresso del calcio e il successivo rilascio del segnale inibitore chimico era molto più debole nelle cellule prive della proteina alfa-2-delta-2. Lo studio conclude che questa specifica proteina partner è essenziale per accoppiare l'ingresso del calcio al rilascio di segnali inibitori in queste cellule cerebrali. Senza di essa, il sistema di frenata diventa inefficiente, portando a uno stato in cui il cervello è più propenso alle tempeste elettriche incontrollate note come crisi epilettiche. Le scoperte suggeriscono che le crisi epilettiche osservate in questi topi non sono solo il risultato di avere meno cellule inibitorie, ma sono causate da un guasto fondamentale nel modo in cui le cellule rimanenti comunicano e rilasciano i loro segnali calmanti.