La fornitura di energia al cervello e il flusso di informazioni

Le alterazioni nella funzione neurometabolica sono rilevate in numerosi disturbi neurologici come depressione, malattia di Alzheimer e schizofrenia. Il progetto BRAINENERGYCONTROL (“Quantifying control of brain energy supply by the neuron-glia-vasculature unit”), finanziato dall’UE, ha studiato la relazione tra flusso di informazioni nei circuiti neuronali e traffico di metaboliti tra neuroni e cellule gliali. Per raggiungere i loro obiettivi gli scienziati hanno utilizzato una combinazione di modellizzazione matematica ed esperimenti di imaging in vitro.

Un’importante scoperta del progetto ha dimostrato che la trasmissione efficace di informazioni su una sinapsi in presenza di rumore richiede una bassa probabilità di rilascio sulle sinapsi. Massimizzare le informazioni trasmesse per costo metabolico è la soluzione ottimale. Ciò offre una spiegazione al fatto, finora poco compreso, che le sinapsi sono inaffidabili, cioè spesso rilasciano neurotrasmettitori solo il 25 % delle volte in cui arriva un potenziale d’azione presinaptico.

Analogamente esperimenti in cellule di relay nel corpo genicolato laterale di ratto hanno mostrato che l’ampiezza delle correnti postsinaptiche è impostata per massimizzare la percentuale di informazioni trasmesse in relazione al consumo di energia postsinaptico. Questi risultati suggeriscono l’esistenza di meccanismi omeostatici che regolano sia il consumo di energia che il trasferimento di informazioni sulle sinapsi.

I risultati del progetto ampliano la nostra comprensione dell’impiego di energia del cervello esaminando il consumo di adenosintrifosfato (ATP) nelle funzioni non segnalatorie nel cervello, che potrebbero consumare fino al 50 % dell’ATP cerebrale. I ricercatori hanno scoperto che la maggior parte di questo uso non segnalatorio dell’energia è speso per il turnover del citoscheletro di actina e microtubuli.

Concludendo, BRAINENERGYCONTROL ha presentato un modello di interazioni metaboliche del sistema neuroni-glia-vascolatura. Questo modello fornisce un prototipo per simulazioni su larga scala di questo sistema, e integra per la prima volta le rispettive scale temporali in cui il metabolismo dell’energia e l’eccitabilità neuronale hanno luogo.