Laboratorio di Neurobiologia e Fisiologia Integrata
Responsabile: Prof. Paola Rossi
Collaboratori: Elisa Roda, Daniela Ratto, Francesca Talpo, Maria Teresa Venuti, Martino Ramieri
Il Laboratorio di Neurobiologia e Fisiologia Integrata si avvale di tecniche elettrofisiologiche per lo studio in vitro, ex vivo ed in vivo di preparati di Sistema Nervoso Centrale, di test di behaviour su modello preclinico e di tecniche di immunocitochimica e immunoistochimica. E' attivo, inoltre, un laboratorio di colture cellulari.
(i) Azioni dell’ossitocina nel sistema nervoso centrale
L’ossitocina, ormone sintetizzato a livello ipotalamico, agisce sia a livello periferico che centrale regolando diverse funzioni comportamentali. Recentemente è stata ipotizzata una correlazione tra il sistema ossitoninergico e l’autismo. I recettori per l’ossitocina sono ampiamente distribuiti nell’ippocampo, e diversi studi elettrofisiologici sono stati eseguiti su roditori per identificare i circuiti ippocampali ossitocinergici e per comprendere i meccanismi modulatori esercitati dal neuropeptide in quest’area. Ne è emerso che l’ossitocina facilita la trasmissione inibitoria nell’area CA1 dell’ippocampo, aumentando la frequenza di scarica di una classe di interneuroni GABAergici connessi sinapticamente alle cellule piramidali. Tuttavia, il meccanismo attraverso cui l’ossitocina aumenta la frequenza di scarica dei neuroni inibitori non è stato ancora identificato, né è noto come tale aumento si ripercuota sull’eccitabilità dei neuroni piramidali. Inoltre non sono noti i meccanismi attraverso cui l’ossitocina è in grado di migliorare la sintomatologia della malattia autistica. Il nostro studio è focalizzato sulla caratterizzazione della neuromodulazione operata dall’ossitocina sull’ippocampo di topo, cercando di colmare le lacune nelle conoscenze attuali.
Referenti: M. Toselli, Prof. G. Biella
Collaborazioni: B. Chini, Istituto di Neuroscienze – CNR, Milano; M. Parenti, Dip. Medicina Sperimentale Università di Milano Bicocca, Milano.
(ii) Analisi dell’attività sinaptica in modelli animali di Malattia di Huntington (HD)
HD è una patologia neurodegenerativa causata da una mutazione autosomica dominante nel gene IT-15 che codifica per la proteina huntingtina (Htt). Il ruolo di Htt è tuttora sconosciuto. La proteina è ubiquitaria, essenziale per l’embriogenesi, lo sviluppo e la sopravvivenza neuronale, ed è coinvolta anche nell’attività sinaptica. L’espansione della tripletta CAG nell’esone 1 del gene IT-15 (> 36 ripetizioni) genera una forma mutata dell’Htt (mHtt) che è tossica per i neuroni e causa ampia perdita di neuroni cerebrali, specialmente a livello corticale e striatale. mHtt determina, oltre alla morte neuronale nell’ultimo stadio della malattia, anche alterazioni progressive nella morfologia, eccitabilità, e proprietà sinaptiche dei neuroni piramidali corticali (CPNs) e dei neuroni spinosi medi (MSNs). Pertanto, i primi sintomi comportamentali e cognitivi dell’HD precedono la morte neuronale piuttosto che esserne una conseguenza. Il disaccoppiamento della connettività e della plasticità a livello delle sinapsi CPN/MSN e l’eccitotossicità, principalmente mediata da alterazioni dei recettori NMDA, sembrano cruciali nella patogenesi e nella progressione dell’HD. Utilizzando approcci multidisciplinari (comportamentali, elettrofisiologici etc.), intendiamo analizzare il progressivo disaccoppiamento delle sinapsi corticostriatali eccitatorie in modelli murini knock-in di HD, sia nello stadio pre-sintomatico sia negli stadi sintomatici della malattia.
Referenti: M. Toselli, Prof. G. Biella
(iii) Valutazione funzionale di neuroni spinosi medi dello striato differenziati da cellule staminali embrionali e riprogrammate da fibroblasti di pazienti con la malattia di Huntington
Questo progetto di ricerca si incentra sulla caratterizzazione funzionale di una classe specifica di neuroni striatali, i neuroni spinosi medi (MSN). Tramite uno specifico protocollo di differenziamento da cellule staminali embrionali umane (hES, linea H9), si otterrano colture 2D o 3D di MSN. In alcune linee esposte anche ad una sovra-espressione indotta di fattori quali GSX2 e EBF1 per migliorarne la resa e la qualità. Inoltre, nota la devastante degenerazione dei MSN nella malattia di Huntington, il nostro interesse si è rivolto anche alla caratterizzazione elettrofisiologica di neuroni striatali differenziati a partire da staminali pluripotenti indotte (hiPS), derivate da fibroblasti di soggetti sani e malati. In questo modo, è possibile modellizzare in vitro la malattia di Huntington e fornire un contributo rilevante alla comprensione dei molteplici e ancora sconosciuti meccanismi molecolari alla base della neurodegenerazione. Inoltre le indagini fisiologiche contribuiranno a consolidare il protocollo di differenziamento cellulare, al fine di generare in vitro MSN autentici ed utilizzabili nella terapia cellulare, che ad oggi sembra essere un’ottima candidata per la cura delle malattie neurodegenerative.
Referenti: M. Toselli, Prof. G. Biella
Collaborazioni: E. Cattaneo, Dip. Bioscienze, UNIMI, Milano; M. Onorati , Dept. Neurobiology, Yale School of Medicine, New Haven, Connecticut, USA.
(iv) Meccanismi e neuromodulazione dell’eccitabilità di membrana nei neuroni delle cortecce paraippocampali e dei neuroni della corteccia peririnale
Le cortecce paraippocampali (PHCs) stabiliscono interazioni sinaptiche bidirezionali con l’ippocampo che sono di fondamentale importanza per le funzioni di memoria e di orientamento spaziale proprie del sistema di memoria del lobo temporale mediale. Questo progetto è focalizzato sullo studio dei meccanismi che governano le proprietà eccitabili intrinseche dei neuroni delle PHCs, delle loro implicazioni funzionali per quanto riguarda le comunicazioni fra la regione paraippocampale e l’ippocampo, e dei sistemi neuromodulatori che li controllano. In particolare vengono studiati: 1) i meccanismi intrinseci di membrana che determinano le specifiche proprietà di scarica dei neuroni della corteccia entorinale mediale (mEC); 2) la risonanza di membrana, i sottostanti meccanismi, e le relative implicazioni funzionali, nei neuroni della mEC e della corteccia peririnale (PRC); 3) i meccanismi di regolazione tramite i quali la PRC è in grado di operare la sua caratteristica funzione di selezione dei segnali in ingresso diretti verso l’ippocampo attraverso la mEC, per intervento di un complesso network intrinseco, che coinvolge sia le cellule piramidali di proiezione, sia numerose classi di interneuroni GABAergici che generano un’inibizione locale sui neuroni piramidali; 4) se e in che modo numerosi sistemi neuromodulatori fisiologici, come quelli che fanno capo all’acetilcolina, alla dopamina, alla noradrenalina, etc.) influenzino le sopra menzionate proprietà dei singoli neuroni e dei circuiti locali.
Referenti: M. Toselli, Prof. G. Biella
(v) Ruolo dei segnali di Ca2+ endoteliali nell’accoppiamento neurovascolare
L’accoppiamento neurovascolare è il meccanismo mediante il quale il flusso sanguigno cerebrale aumenta o diminuisce in risposta a corrispondenti variazioni dell’attività neurale. L’ipotesi più accreditata attribuisce esclusivamente ai neuroni e agli astrociti la capacità di rilasciare mediatori vasoattivi in risposta all’attività sinaptica. Questo progetto di ricerca sta esaminando per la prima volta la capacità dell’endotelio cerebrale di rilevare direttamente il rilascio sinaptico di neurotrasmettitori. La nostra attenzione si sta focalizzando sulla sensibilità delle cellule bEND.5, un modello ampiamente validato per lo studio dell’endotelio cerebrale, ai neurotrasmettitori glutammato e acetilcolina e al neuropeptide catestatina. Nello specifico, il presente progetto si propone di: 1) studiare i meccanismi responsabili della genesi delle oscillazioni intracellulari di Ca2+ che insorgono in seguito a stimolazione con i tre agonisti sopra citati; 2) verificare se e come tali oscillazioni di Ca2+ inducano la sintesi di monossido d’azoto (NO), il principale agente vasodilatatore del cervello; e 3) indagare se l’NO rilasciato dalle cellule endoteliali cerebrali possa agire non solo sul tono vasale, ma anche sull’attività sinaptica.
Referente: Prof. F. Moccia
Collaborazioni: T. Angelone, Università della Calabria, Cosenza; E. D’Angelo, Dip. Scienze del Cervello e del Sistema Nervoso, UNIPV; S. Dragoni, University College London, London; G. Guerra, Università del Molise, Campobasso; D. Lim, Università del Piemonte Orientale, Novara.
(vi) Studio degli effetti dell’integrazione orale con il fungo medicinal Hericium erinaceus (Lion’s mane) sulla neurogenesi e sulle funzioni cognitive in topi wild-type
Hericium (Bull.) Pers. è un fungo medicinale in grado di modulare il sistema immunitario e di migliorare le funzioni cognitive nell’uomo. Sono stati condotti negli ultimo 10 anni numerosi studi in vitro e in vivo per studiarne gli effetti dopo somministrazione orale. Sull’uomo, in particolare, i dati presenti nella letteratura scientifica descrivonono un effetto neuroprotettivo sull’ictus ed effetti di parziale recupero cognitivo in patologie neurodegenerative, quali la demenza e l’Alzheimer. In un modello murino di topo indotto farmacologicamente allo sviluppo di Alzheimer, l’integrazione alimentare con H. erinaceus previene la compromissione della memoria spaziale a breve termine e della memoria di riconoscimento visiva. Non esistono dati di letteratura relativi ad animali wild-type.
Questa linea di ricerca studia gli effetti della somministrazione orale del micoterapico in topi wild-type. Si affrontano, in particolare, due aspetti: la capacità di migliorare alcune performance cognitive legate alla memoria e gli effetti sulla neurogenesi a livello ippocampale.
Vengono utilizzate metodiche di patch-clamp in fettine ippocampali e studi di comportamento animale in vivo.
Referente: Prof. P. Rossi
Collaborazioni: F. Brandalise, Brain Research Institute, University of Zurich; A. Gregori, MycoMedica d.o.o., Kranjska Gora, Slovenia; G. Orrù, Dip. Scienze Chirurgiche, Università di Cagliari; M.L. Guglielminetti, M.Rodolfi ed E. Savino, Dip. della Terra e dell’Ambiente, UNIPV.
(vii) Il diabete di tipo 3: l'Alzheimer La Nutrtional Neuroscience è un nuovo campo della nutrizione che si occupa dello studio degli effetti di componenti bioattive presenti negli alimenti sul SNC Nel laboratorio viene studiato l’effetto della iperglicemia cronica periferica (diabete) a livello del SNC. Studi recenti dimostrano su modelli animali che una dieta a basso indice glicemico eserciti effetti neuroprotettivi, sul rischio/prevenzione e sulla progressione di alcune malattie neurodegenerative, tra le quali l’Alzheimer, nel quale si riconosce una componente di origine metabolica, e pertanto considerato un diabete di tipo III (per una review, Shieh et al. 2020, doi: 10.1007/s12035-019-01858-5). Il Laboratorio ha da tempo sviluppato test funzionali in vivo, in modelli animali, per testare, dopo supplementazione orale, gli effetti di sostanze sulla memoria dichiarativa esplicita, una componente cognitiva di particolare importanza nel declino cognitivo della malattia di Alzheimer. Il presente progetto di ricerca si propone di studiare i meccanismi d’azione alla base della relazione tra glicemia, insulino-resistenza e impairment cognitivo.
(viii) Studio delle correnti di membrana coinvolte nel processo di metastatizzazione di glioblastoma umano. Questa linea di ricerca si avvale della tecnica del patch-clamp integrata con la tecnica del “wound-healing assay” e della microscopia “time lapse” per la comprensione dei meccanismi di membrana coinvolti nella capacità di metastatizzare del glioblstoma multiforme di IV grado. Il laboratorio di Neurobiologia e Fisiologia Integrata già da anni sta caratterizzando le correnti inward rectifier Kir4.1 e le correnti BK coinvolte in tale processo (Ratto et al. 2019; Brandalise et al. 2020). Lo studio di questi meccanismi potrebbe portare allo sviluppo di nuove terapie che abbiamo come target i canai ionici voltaggio-dipendenti.