Serotonina, scoperto un nuovo meccanismo d’azione

APPROFONDIMENTO – La serotonina è una sostanza fondamentale per il funzionamento del sistema nervoso. Conosciuta grazie al “mito” dell’ormone della felicità, svolge un importante ruolo di regolazione nella trasmissione degli impulsi nervosi. Malgrado sia conosciuta da tempo, i suoi meccanismi di azione nel cervello sono ancora poco chiari. Conoscerli meglio è fondamentale per capire il funzionamento del sistema nervoso e per comprendere cosa avviene nelle condizioni patologiche in cui la serotonina non viene prodotta, o in cui mancano le molecole specifiche a cui si lega.

Un importante contributo a queste conoscenze è arrivato di recente grazie al lavoro di un team di ricercatori coordinato da Raffaella Tonini del dipartimento di Neuro Modulation Cortical e Subcortical Circuits dell’IIT– Istituto Italiano di Tecnologia. La ricerca – con la collaborazione del dipartimento di Biologia dell’Università di Pisa e il partenariato internazionale di enti di ricerca fra cui la Sorbonne Université di Parigi – è stata pubblicata sulla rivista Neuron in due diversi articoli (1, 2) e ha permesso di ricostruire le fasi del meccanismo di funzionamento della serotonina a livello dei circuiti neuronali dei gangli della base, in particolare del circuito talamo-striatale.

Questi circuiti sono importanti per il controllo del movimento e della flessibilità comportamentale, ossia la capacità di adattarsi ai cambi di contesto da un punto di vista emotivo e motorio. Non funzionano correttamente nel caso di patologie come la malattia di Parkinson o i disturbi ossessivi-compulsivi.

I neuroni sono collegati tra loro da sinapsi che consentono il passaggio degli impulsi che viaggiano nel sistema nervoso. Questo avviene tramite il rilascio di particolari sostanze, i neurotrasmettitori, che vengono rilasciate quando un segnale arriva a una sinapsi. Queste sostanze a loro volta si combinano con delle molecole specializzate sull’altra estremità della sinapsi – i recettori – e così facendo attivano l’impulso nervoso che viaggia poi nel neurone successivo. È proprio su questo meccanismo che interviene la serotonina.

Abbiamo intervistato Raffaella Tonini per farci spiegare come agisce questa sostanza e cosa ha scoperto il suo team di ricerca, anche rispetto agli effetti patologici legati ad un’alterazione del suo meccanismo di funzionamento.

Che tipo di sostanza è la serotonina e che ruolo svolge?

La serotonina è un neuromodulatore, ossia una sostanza in grado di modulare la trasmissione dell’informazione tra neuroni. Modulare significa che non determina la presenza dell’attività di trasmissione, ma la rende più o meno ampia. Nella trasmissione veloce dell’informazione l’impulso nervoso viene determinato dai neurotrasmettitori di natura eccitatoria, tipicamente il glutammato, ed è inibito da neurotrasmettitori inibitori come il gaba. Invece i sistemi neuromodulatori nella maggior parte attivano delle proteine di membrana che sono dei recettori che vanno ad agire invece sull’efficacia della trasmissione di tipo eccitatorio, ossia quella del glutammato e del gaba, amplificandola o riducendola.

Cosa volevate indagare riguardo al meccanismo che la coinvolge?

I neuroni possono andare incontro a fenomeni di plasticità sinaptica in cui la comunicazione tra neuroni può essere resa più o meno efficiente in seguito ad uno stimolo. Noi volevamo proprio andare a vedere come la plasticità venisse modulata nello striato in presenza o in assenza di serotonina.

Lo striato è un’area del cervello che si trova sotto la corteccia ed è il principale nucleo di ingresso dei gangli della base, un complesso di nuclei che si trovano anche essi sotto la corteccia. Lo striato riceve degli input eccitatori dalla corteccia, da cui arrivano stimoli di natura motoria, e dal talamo, da cui arrivano segnali di natura sensoriale. Il coordinamento di questi input fa sì che i neuroni dello striato emettano un segnale che permette al circuito dei gangli della base della corteccia di determinare l’inizio del movimento. Quindi il sistema dei gangli della base è un sistema che controlla il movimento.

I meccanismi cellulari e modulatori che regolano la plasticità sinaptica a livello delle terminazioni della corteccia nello striato sono conosciuti ormai da tempo. Era invece rimasto poco chiaro come venisse modulata la plasticità sinaptica nelle terminazioni del talamo nello striato. Il nostro obiettivo era quindi indagare come la serotonina influenzasse questo meccanismo.

Come si è svolta la ricerca?

Come detto, lo striato riceve input eccitatori dalla corteccia e dal talamo però riceve anche degli input di natura modulatoria dai nuclei che producono dopamina e serotonina. Il ruolo della dopamina nello striato è stato indagato ed è conosciuto da anni. Il motivo di questo è che i recettori della dopamina sono solo di due tipi. Il problema con la serotonina è che invece ne ha 14 e quindi è molto complicato agire da un punto di vista farmacologico poiché si devono trovare degli antagonisti di ognuno di questi recettori, ossia molecole che ne bloccano il funzionamento. Questo fa sì che sia molto complicato fare una dissezione del meccanismo di azione della serotonina.

A questo punto il ragionamento che abbiamo fatto è stato: cosa succede se noi siamo in una configurazione sperimentale in cui stimoliamo tutto ma togliamo la serotonina? Volevamo quindi osservare l’effetto netto dell’eliminazione della serotonina. Si tratta di un effetto netto perché i 14 recettori coinvolti magari sono distribuiti in cellule diverse dello striato oppure in punti diversi del neurone e questo vuol dire che si possono avere degli effetti diversi a seconda che l’input che noi studiamo sia vicino meno al recettore.

Utilizzare la logica combinatoriale per individuare i recettori sarebbe stato molto difficile quindi noi abbiamo detto: “togliamo la serotonina e facciamo degli esperimenti di plasticità sinaptica per vedere cosa cambia”. Per fare questo abbiamo utilizzato due differenti approcci. Per vedere l’effetto specifico della rimozione della serotonina a livello delle fibre corticali o delle fibre talamiche abbiamo utilizzato un approccio optogenetico. In pratica attraverso tecniche particolari abbiamo fatto sì che nei terminali della corteccia o nei terminali del talamo venissero espresse delle proteine che si attivano con la luce. Così avevamo a disposizione dei topi che esprimevano queste proteine solo nelle afferenze corticali allo striato (i circuiti neurali della corteccia che arrivano allo striato) oppure solo nelle afferenze talamiche allo striato.

Grazie alla presenza di queste proteine tramite impulsi luminosi siamo in grado di attivare il rilascio sinaptico di glutammato o solo dalla corteccia o solo dal talamo. Abbiamo quindi fornito degli stimoli elettrici per indurre plasticità sinaptica e l’abbiamo fatto in presenza e in assenza di serotonina. La serotonina è stata eliminata utilizzando il secondo approccio, quello chemogenetico, ovvero abbiamo usato dei topi che esprimevano dei particolari recettori ingegnerizzati. Questi però erano presenti solamente nei neuroni che producono serotonina e in particolare nelle loro terminazioni che arrivano nello striato.

Questo approccio si chiama chemogenetico perché fa uso di recettori ingegnerizzati che vengono attivati tramite una determinata sostanza che funziona solo per questi recettori ingegnerizzati e quindi non può attivare altro.Questi recettori, una volta attivati, inibiscono il rilascio di serotonina. Quindi noi abbiamo utilizzato una combinazione della chemogenetica con l’optogenetica per vedere l’effetto netto dell’assenza della serotonina. Abbiamo così visto che mentre in presenza di serotonina non è possibile indurre plasticità sinaptica nel talamo quando togliamo la serotonina si induce una depressione sinaptica. In parole semplici si può dire quindi che la trasmissione sinaptica funziona meno perché le sinapsi risultano depresse.

Questo ha a che fare con il meccanismo di modulazione di cui parlava all’inizio?

Sì esatto, ma in questo lavoro non abbiamo solo dimostrato che in assenza di serotonina è più facile deprimere la comunicazione tra talamo e striato, ma siamo andati oltre: abbiamo capito in che modo ciò avviene, attraverso quale meccanismo molecolare e soprattutto attraverso quale recettore. Attraverso una serie di ragionamenti abbiamo cominciato a considerare una classe di recettori tra cui ce n’era uno in particolare.

Dei 14 recettori coinvolti nel meccanismo della serotonina infatti alcuni li abbiamo esclusi perché avevano delle proprietà che non sarebbero state in linea con una depressione sinaptica restringendo quindi le possibilità. A quel punto con la farmacologia siamo riusciti a capire che il responsabile del meccanismo era un recettore conosciuto con la sigla 5-HT4. Infatti inibendolo con un farmaco antagonista ottenevamo effetti di depressione sinaptica identici a quelli causati dall’eliminazione della serotonina.

Abbiamo studiato poi quali proteine sono coinvolte e attraverso quale meccanismo avviene la depressione sinaptica e ciò avviene attraverso la modulazione dell’ingresso di calcio nella cellula. Siamo quindi riusciti ad ottenere una dissezione molto dettagliata dell’intero meccanismo innescato dall’eliminazione della serotonina.

La cosa importante è che mentre i neuroni dello striato ricevono input sia dal talamo che dalla corteccia la modulazione del recettore avviene solo a livello del talamo. Com’è possibile questa modulazione selettiva? Utilizzando delle tecniche avanzate di imaging siamo riusciti a vedere che il recettore responsabile si trova in una regione del neurone dello striato dove arrivano le afferenze talamiche e quindi è più vicino a queste che a quelle corticali. Questo passaggio è stato fondamentale per riuscire a pubblicare su Neuron.

Dal punto di vista di chi si occupa di neuroscienze questa informazione infatti è fondamentale perché vuol dire che si è riusciti a individuare una funzione che corrisponde a una determinata localizzazione. Si tratta di una scoperta importante soprattutto in un sistema di neuromodulazione dove ci sono tanti tipi di recettori che possono essere distribuiti in punti diversi del neurone e che allo stesso tempo possono ricevere input diversi. Nell’ottica computazionale dell’effetto della neuromodulazione è importante definire questa relazione tra funzione e posizione nel neurone a livello sub cellulare, quindi non solo in quale neurone è espresso il recettore che ci interessa ma anche in quale porzione del neurone si trova.

Cosa succede se il meccanismo della serotonina non funziona come dovrebbe?

Su questo abbiamo degli esperimenti in corso che non sono stati pubblicati nel lavoro. Il risultati ci sono ma in termini non ancora pubblicabili. Nella nostra pubblicazione quindi questi dati non ci sono anche se i referee che hanno valutato il nostro studio vi hanno già avuto accesso. Faranno parte di una prossima pubblicazione.

Questi dati preliminari mostrano effetti al livello del comportamento, in particolare della flessibilità comportamentale . Perché? Studi emergenti – negli ultimi anni ci sono state diverse pubblicazioni a riguardo e in particolare negli ultimi 3-4 mesi – stanno dimostrando che il talamo non è importante solo per il movimento. In particolare manipolando le terminazioni del talamo, le stesse che abbiamo analizzato nel nostro studio, si va ad agire sulla flessibilità comportamentale – che in termini generici è la capacità di adattarsi da un punto di vista motorio e di cambiare strategia motoria per ottenere un obiettivo in seguito al cambiamento del contesto. Come viene analizzata la flessibilità comportamentale che dipende dallo striato? La flessibilità dipende da tante aree ma è possibile definire degli aspetti che sono principalmente guidati dallo striato e dalle connessioni con la corteccia e col talamo.

Di solito si allena un animale a compiere un’azione per avere un premio. L’animale quindi stabilisce una relazione causale tra quello che fa e quello che riceve. Dopo che per diversi giorni è stato allenato in questo modo, gli si fa fare una cosa completamente diversa: nello stesso apparato in cui si trovava prima gli si da il premio se non fa più l’azione per cui era stato allenato. Ogni volta che lui fa quello per cui era strato allenato, gli viene dato il premio con un certo ritardo. Ha solo 30 minuti per capire che la relazione causale è cambiata e che deve cambiare strategia.

Altri lavori fanno vedere che se si modula il talamo l’animale non riesce a fare questo cambio di strategia e noi abbiamo visto in questo studio preliminare che se blocchiamo il recettore di tipo 4 nello striato l’animale capisce, ma con un ritardo e questo mostra che inibendo questo recettore della serotonina si va ad agire sulla flessibilità comportamentale.

E per quanto riguarda le patologie collegate?

Questo si può legare a diversi aspetti perché l’assenza di flessibilità comportamentale è tipica di molte patologie. In particolare tutta la serie dei disturbi ossessivo compulsivi, per esempio, mostra una carenza di flessibilità comportamentale. Anche alcuni aspetti del Parkinson possono essere ricondotti ad alterazioni della flessibilità comportamentale. Al di là dei problemi del movimento, dove il talamo è comunque coinvolto, ci sono teorie che puntano anche al fatto che la serotonina possa essere coinvolta nei sintomi non motori del talamo tra cui ci sono anche dei deficit cognitivi. Si tratta di patologie che coinvolgono i gangli della base, in particolare lo striato, e sono legate a livelli alterati di serotonina e dei sui recettori tra cui in particolare quello che abbiamo individuato.

Per quanto riguarda la depressione, il discorso è un po’ a parte ed è più innovativo dato che è stato studiato in pazienti post mortem ma anche in modelli animali in seguito a uno stimolo di stress. Pur con tutte le limitazioni che questi modelli potrebbero avere da queste ricerche è emersa una sorta di plasticità del recettore legata alla patologia. Quello che noi stiamo proponendo è che, quando questo recettore non funziona bene o non è attivo, vi sia una diminuzione dell’efficacia sinaptica a livello talamo striatale.

Questo potrebbe essere proprio quello che succede in alcune patologie come la depressione dove è stato visto che questo recettore non viene prodotto in normali quantità. La cosa interessante è che sta emergendo come la depressione non sia solo un disturbo dell’umore, ma sia anche legata a un incapacità del paziente di adattarsi a circostanze che cambiano. Quindi probabilmente ci potrebbe essere un legame tra un deficit di serotonina o una mancata attivazione di questo recettore e alcune caratteristiche di questo disturbo. Ovviamente non è questo che dimostra il nostro lavoro. La nostra è una ricerca di base dove per noi è stato fondamentale definire in maniera dettagliata il meccanismo molecolare legato alla serotonina nello striato.

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