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Lo sviluppo del cervelloIl cervello umano, mentre si sviluppa nell'utero, acquisisce ogni minutocentinaia di migliaia di neuroni. La neurobiologia tenta di stabilirecome essi trovano l'esatta posizione e allacciano le giuste connessioni

I

grossolani cambiamenti che hannoluogo nello sviluppo embrionalee fetale del cervello sono noti quasi

da un secolo, mentre d'altro canto pocosi sa degli eventi cellulari che ne sono allabase e che danno origine alle diverse partidel cervello e alle loro interconnessioni.Ciò che è chiaro, invece, è che il sistemanervoso si origina da una lamina cellularepiatta sulla superficie dorsale dell'em-brione in via di sviluppo (la placca neura-le), che successivamente questo tessuto siripiega a formare una struttura cava al-lungata (il tubo neurale) e che, a partiredall'estremità cefalica del tubo, compaio-no tre rigonfiamenti sporgenti, che prefi-gurano quelle che saranno le tre partiprincipali del cervello (il proencefalo, ilmesencefalo e il metencefalo).

In questi ultimi anni, l'attenzione deineurobiologi dello sviluppo non si è peròconcentrata su questi cambiamentidell'aspetto esteriore del cervello in via disviluppo. Più interessanti interrogativi siimpongono. Per esempio, in che modovengono generati i vari componenti checostituiscono le parti principali del siste-ma nervoso? Come riescono a occuparela loro posizione definitiva all'interno delcervello? Secondo quale procedura si dif-ferenziano i neuroni e le cellule della glia,che servono loro di sostegno? In che mo-do i neuroni presenti nelle differenti partidel cervello stabiliscono connessioni reci-proche? Purtroppo, malgrado il notevoleimpegno nella ricerca, non è ancora pos-

di W. Maxwell Cowan

sibile dare una spiegazione completa del-lo sviluppo di una qualsiasi parte del cer-vello, né una descrizione globale. Deter-minando quali sono gli eventi principalidello sviluppo nervoso, si comincia peròa intravvedere in che modo si potrannorisolvere i problemi critici.

Nello sviluppo di una qualsiasi partedel cervello si possono identificare ottostadi principali. Nell'ordine di comparsaessi sono: (1) l'induzione della placcaneurale, (2) la proliferazione localizzatadi cellule in differenti regioni, (3) la mi-grazione di cellule dalla regione in cui so-no state generate alle loro sedi definitive,(4) l'aggregazione di cellule che formanoparti ben identificabili del cervello, (5) ladifferenziazione dei neuroni immaturi,(6) la formazione di connessioni con altrineuroni, (7) la morte selettiva di certe cel-lule, (8) l'eliminazione di alcune connes-sioni, formatesi all'inizio, e la stabilizza-zione di altre.

I ' processo mediante il quale alcune cel-lule dell'ectoderma, cioè dello strato

esterno dell'embrione in via di sviluppo,cominciano a trasformarsi nel tessutospecializzato da cui si sviluppano il cer-vello e il midollo spinale è chiamato indu-zione neurale. E' noto fin dagli anni ventiche la fase critica dell'induzione neurale èrappresentata da un'interazione tra ecto-derma e una parte del sottostante stratodi tessuto, chiamato mesoderma. La na-tura di questa interazione deve ancora es-

sere chiarita, ma vi sono buone ragioniper pensare che essa comporti il trasferi-mento specifico di sostanze dal mesoder-ma all'ectoderma e che questo trasferi-mento implichi che il tessuto ectodermicogeneralizzato venga irreversibilmente im-pegnato nella formazione di tessuto ner-voso. E' chiaro anche che l'interazionesequenziale di parti differenti dell'ecto-derma e del mesoderma porta alla deter-minazione regionale delle principali partidi cervello e midollo spinale. La primaporzione del mesoderma che si associacon l'ectoderma induce in maniera speci-fica le strutture del proencefalo, la partesuccessiva porta alla formazione dellestrutture del mesencefalo e del rombence-falo, mentre l'ultima porzione che si svi-luppa sotto l'ectoderma è responsabiledella più tardiva formazione del midollospinale.

Sfugge ancora in che modo, esattamen-te, queste determinazioni regionali si rea-lizzano. Esperimenti compiuti con celluleectodermiche e mesodermiche disaggre-gate, ottenute da embrioni di età oppor-tuna, fanno pensare che l'elemento criti-co possa essere la concentrazione relativadi due fattori che si ritiene siano proteinea basso peso molecolare. Una di queste, ilfattore neuralizzante, sembra «inneschi»l'ectoderma e gli assicuri il suo futuro ca-rattere nervoso; l'altra, il fattore meso-dermizzante, è presente in differenti con-centrazioni per determinare, all'internodell'ectoderma, le differenze regionali.

Anche se, negli anni trenta e quaranta,sono stati compiuti notevoli sforzi perisolare gli ipotetici agenti induttivi, èchiaro oggi, in retrospettiva, che buonaparte di quel lavoro è stata prematura.Solo negli ultimi due decenni si è appresoqualcosa di sostanziale sulla naturadell'induzione genica in generale ma è an-cora da dimostrare che i meccanismi in-duttivi, che sono stati identificati nei mi-crorganismi, operino allo stesso modoanche nelle cellule animali. Vi è un altromotivo per cui il problema dell'induzionenervosa si è dimostrato di così difficilesoluzione. 11 solo sistema sperimentale

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La microfotografia elettronica della pagina a fronte, realizzata da Pasko Rakic della Vale Univer-sity School of Medicine, riprende la migrazione di un giovane neurone dal suo punto d'originenella profondità del cervelletto di un feto di scimmia N erso la sua destinazione definitiva, situatavicino alla superficie esterna del cers elio in via di sviluppo. Il neurone migrante è rappresentatodalla più larga delle due bande diagonali che decorrono attraverso tutta la microfotografia, ta-gliandola. L'oggetto scuro, oblungo, all'interno della parte superiore di questa banda è il nucleodella cellula nervosa. La banda più chiara e più stretta situata lungo il lato inferiore del neurone èil prolungamento allungato di una cellula gliale, che funge sia da struttura di sostegno sia da guidaper il neurone che migra. Questo neurone si muove attraverso un denso neuropilo, o feltro di fibrenervose, che decorre in varie direzioni. (La maggior parte delle strutture circolari presenti in que-sta immagine, per esempio, sono sezioni trasversali di assoni che decorrono più o meno perpendi-colarmente rispetto al piano della pagina.) Pur essendo in contatto con migliaia di altri prolunga-menti cellulari, il neurone migrante rimane intimamente associato con la cellula gliale per tutta lasua lunghezza. Questa sezione di tessuto cerebrale è stata ingrandita di circa 25 000 diametri.

PLACCA NEURALE

ECTODER MA

SOMITE

TUBO NEURALE CRESTA NEURALE

SOMITE

AA'

CAVITA' NEURALE

CANALE CENTRALEMIDOLLO SPINALE(MATERIA GRIGIA)

SOMITE

MIDOLLO SPINALE

In questa sequenza di disegni, che mostrano una successione di stadiembrionali e fetali, il cervello umano in via di sviluppo appare dilato, Idisegni della sequenza principale (in basso) sono tutti nella stessa scala:all'incirca quattro quinti della dimensione naturale. I primi cinque stadiembrionali sono pure ingranditi di un fattore arbitrario comune, perchiarire i loro particolari strutturali (in alto). Le tre parti principali delcervello (proencefalo, mesencefalo e rombencefalo) hanno origine comerigonfia menti sporgenti in corrispondenza dell'estremità cefalica del

primitivo tubo neurale. Negli esseri umani, gli emisferi coprono il me-sencefalo e il rombencefalo e mascherano in parte il cervelletto. Le carat-teristiche circonvoluzioni e invaginazioni della superficie del cervellocompaiono soltanto verso la metà del periodo di gestazione. Ammet-tendo che il cervello umano a completo sv iluppo contenga 100 miliardidi neuroni e che nessun nuovo neurone venga aggiunto dopo la nascita,si può calcolare che queste cellule siano generate nel cervello in via disviluppo a una velocità media superiore alle 250 000 unità al minuto.

c)

CINQUE MESI SEI MESI

OTTO MESI

25 GIORNI 35 GIORNI 40 GIORNI 50 GIORNI 100 GIORNI

CERVELLO MIDOLLO SPINALE(MATERIA BIANCA)

In queste quattro coppie di disegni viene rappresentata la genesi del sistema nervoso dall'ectoder-ma, o foglietto embrionale esterno, in un organismo umano alla terza e quarta settimana dopo ilconcepimento. Essi illustrano sia l'aspetto esterno dell'embrione in via di SN iluppo (a sinistra) siail corrispondente aspetto in sezione tras versale, condotta all'incirca alla metà del futuro midollospinale (a destra). Il sistema nervoso centrale ha inizio come placca neurale, una lamina piatta dicellule ectodermiche sulla superficie dorsale dell'embrione. In un secondo tempo, questa lamina siripiega in una struttura cava, il tubo neurale. L'estremità cefalica del canale in prossimità del cen-tro del tubo si allarga e forma i ventricoli, o cavità, cerebrali. Il sistema nervoso periferico traeorieine in gran parte dalle cellule della cresta neurale e dalle fibre del nervo motore che, in corri-spondenza di ogni segmento del futuro midollo spinale, lasciano la parte inferiore del cervello.

adatto per lo studio dell'induzione neura-le si basa sul prelievo di ectoderma daembrioni di età opportuna e, poiché esi-ste, nello sviluppo, un periodo limitato incui l'ectoderma è in grado di reagire a im-portanti segnali induttivi, è necessariooperare con quantità di tessuto estrema-mente piccole. In effetti, è un tributoall'ingegno e alla perizia sperimentale dicoloro che si sono cimentati a questo pro-blema il fatto che siano già stati compiutitanti progressi.

Una volta determinate le principaliaree del sistema nervoso in via di forma-zione, le loro potenzialità diventano pro-gressivamente limitate con il procederedello sviluppo. Per esempio, l'interaestremità cefalica della placca neurale co-stituisce un territorio proencefalo--occhio, da cui si formeranno sia il proen-cefalo sia la porzione nervosa dell'oc-chio. Se, a questo stadio, si rimuove unpiccolo frammento di tessuto ectodermi-co, si ha la rapida sostituzione della por-zione mancante per mezzo della prolife-razione delle cellule vicine e lo sviluppodel proencefalo e dell'occhio procede inpratica normalmente. Se la stessa opera-zione viene compiuta a uno stadio piùavanzato, sia nel proencefalo sia nell'oc-chio si avrà una anomalia permanente,che dipende dalla posizione del frammen-to di tessuto rimosso. In altre parole, inquesto secondo stadio è possibile identifi-care un territorio per il proencefalo, chedarà origine alle strutture proencefalichedefinitive, e un territorio per l'occhio cheformerà esclusivamente la parte nervosadell'occhio.

In stadi ancora più avanzati, all'inter-no del territorio globale del proencefalosi delimitano regioni specifiche. Con ilsussidio di una varietà di tecniche di mar-catura delle cellule, è stato possibile co-struire delle «mappe dei territori presun-tivi» che stabiliscono in maniera piutto-sto precisa la distribuzione definitiva del-le cellule in ogni parte del primitivo terri-torio proencefalico (si veda la figura apagina 60). I fattori che portano al pro-gressivo bloccaggio di unità sempre piùpiccole, dando origine così a parti specifi-che del cervello, non sono ancora noti,ma non è irragionevole supporre che,quando si avranno maggiori conoscenzein generale sul differenziamento cellula-re, il problema risulterà più chiaro.

D a studi effettuati sugli embrioni dianfibi, risulta che il numero di cel-

lule nella placca neurale è relativamentebasso (dell'ordine di 125 000) e non simodifica molto durante la formazionedel tubo neurale. Quando questo si èchiuso, tuttavia, la proliferazione cellula-re procede rapidamente e, dopo non mol-to, il semplice strato di cellule epitelialiche ha formato la placca neurale si tra-sforma in uno strato epiteliale piuttostospesso, in cui i nuclei cellulari risultanolocalizzati a vari livelli. L'esame al micro-scopio delle cellule, favorito in alcuni casidall'impiego di timidina marcata, un pre-cursore specifico del DNA, ha permessodi stabilire che tutte le cellule della parete

del tubo neurale sono in grado di prolife-rare e che il caratteristico aspetto «pseu-dostratificato» dell'epitelio è attribuibileal fatto che i nuclei delle cellule si trovanoa diversi livelli. I nuclei sintetizzano ilDNA mentre si trovano nelle profonditàdell'epitelio, quindi migrano verso la su-perficie ventricolare e ritraggono, prima

di dividersi, i loro prolungamenti perife-rici. Dopo la mitosi (divisione cellulare),le cellule figlie riformano questi prolun-gamenti e i loro nuclei si portano nuova-mente nella parte più profonda dell'epite-lio prima di dar vita a un nuovo ciclo mi-totico. La migrazione dei nuclei dei neu-roni in proliferazione è una caratteristica

tipica delle cellule epiteliali di questo tipo.Dopo essere passate attraverso un certo

numero di tali cicli (numero che varia daregione a regione e da popolazione a po-polazione cellulare all'interno di unaqualsiasi regione), le cellule perdono ap-parentemente la loro capacità di sintetiz-zare DNA e migrano al di fuori dell'epite-

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Si può ricostruire la derivazione di ciascuna delle principali aree cerebralimarcando le differenti regioni della placca neurale di un animale dilaboratorio a uno stadio embrionale molto precoce con l'aiuto di unavarietà di tecniche di marcatura cellulare. In questa dimostrazione di comesono costruite queste «mappe del destino» sono state marcate, in un

embrione precoce di amblistoma, un grosso anfibio, tre regioni della placcaneurale (a sinistra). Le posizioni definitive delle cellule nelle regionimarcate vengono disegnate (a destra) come se fossero in una sezionesagittale in uno stadio più avanzato dello sviluppo. La figura è stata rica-vata da un lavoro di D. C.-0. Jacobson dell'Università di Uppsala.

ho, formando un secondo strato cellula-re, adiacente alla zona ventricolare. Lecellule che costituiscono questo «mantel-lo», o strato intermedio, sono giovanineuroni, che non si divideranno mai più,e precursori delle cellule gliali, che pertutta la loro esistenza conservano la lorocapacità proliferativa.

Pur non essendo noto che cosa innescae disinnesca in una qualsiasi regione delsistema nervoso il meccanismo di prolife-razione, è chiaro che i tempi relativi in cuidifferenti popolazioni di cellule cessanodi dividersi sono rigidamente determinatie si dispone oggi di una considerevolemassa di prove che fanno pensare chequesto sia uno stadio critico nella vita ditutti i neuroni. Non solo sembra che ilsottrarsi di una cellula al ciclo mitoticoinneschi la sua successiva migrazione nel-lo strato intermedio, ma sembra ancheche la cellula acquisisca, nello stesso tem-po, un «indirizzo» definitivo, nel sensoche, se la sua «data di nascita» (definitacome il momento in cui essa perde la ca-pacità di sintetizzare il DNA) è nota, èpossibile prevedere dove essa risiederà al-la fine. Inoltre, sembra in alcuni casi cheanche l'intero quadro di connessioni cheil neurone stabilisce venga determinato inquesto momento.

In base a esperimenti in cui piccolequantità di timidina radioattiva sono sta-te somministrate a embrioni (o, nel casodi mammiferi, alle femmine gravide), i ri-cercatori conoscono oggi le date di nasci-ta delle cellule di molte parti del cervelloper un certo numero di specie diverse. Daquesti studi si possono ricavare parecchiegeneralizzazioni sul quadro della prolife-razione cellulare nel cervello. Innanzitut-to, i neuroni più grossi, tra cui la maggiorparte delle cellule i cui prolungamenti siestendono a considerevoli distanze (peresempio le cellule della retina, i cui pro-lungamenti giungono fino ai centri visivi

del cervello), vengono generati di normaprima di quelli più piccoli, le cui fibre so-no limitate alla regione del corpo cellula-re. In secondo luogo, la sequenza dellaproliferazione cellulare è caratteristicaper ogni regione del cervello. Per esem-pio, nella corteccia cerebrale, le primecellule che si sottraggono al ciclo prolife-rativo andranno a occupare col tempo lostrato corticale più profondo, mentrequelle che vengono generate in tempi suc-cessivi, formeranno gli strati progressiva-mente più superficiali.

D'altra parte, nella porzione nervosadella retina (che è in realtà un prolunga-mento del cervello), la sequenza dellaproliferazione cellulare è essenzialmenteopposta: la prima popolazione di cellulegenerate (le cellule gangliari) migra versolo strato più superficiale della retina,mentre le popolazioni cellulari successiveoccupano strati progressivamente piùprofondi. In altre regioni del cervello, lesequenze sono più complesse, ma in cia-scuna regione è evidente che cellule cheoccupano posizioni simili sono sempregenerate nello stesso tempo; per contro,cellule generate in tempi diversi finisconoper risiedere, invariabilmente, in zone di-verse, all'interno della stessa area. Unaterza possibile generalizzazione permettedi affermare che, nella maggior parte del-le aree del cervello, le prime cellule di so-stegno che si formano compaiono all'in-circa nello stesso momento dei primi neu-roni, ma di regola la proliferazione diqueste cellule gliali continua per un perio-do di tempo molto più lungo.

Il numero di neuroni che si formanoinizialmente in una qualsiasi regione delcervello è determinato da tre fattori. Ilprimo è la durata del periodo proliferati-vo nel suo insieme; nelle regioni che sonostate studiate fino a oggi, si è trovato cheessa varia da alcuni giorni a parecchie set-timane. Il secondo è rappresentato dalla

durata del ciclo cellulare; nei giovani em-brioni essa è, in generale, dell'ordine dipoche ore, ma con il progredire dello svi-luppo può arrivare anche a quattro o cin-que giorni. Il terzo fattore è il numero dicellule precursori da cui deriva la popola-zione dei neuroni.

Oggi sono disponibili alcuni metodiper determinare la durata del periodoproliferativo e la lunghezza del ciclo cel-lulare, ma salvo pochi casi non è possibilevalutare l'entità del complesso dei precur-sori delle cellule. La difficoltà risiede es-senzialmente nel fatto che è impossibile,al momento attuale, seguire il destino dicellule singole nel cervello in via di svilup-po dei mammiferi, così come è stato fattoper sistemi nervosi molto più semplici dicerti invertebrati. In questi organismi, gliembrioni sono spesso trasparenti e si pos-sono seguire singole cellule attraverso pa-recchie divisioni mitotiche con l'aiuto diun microscopio ottico, attrezzato conun'ottica per l'interferenza differenziale.Oppure, le cellule precursori possono es-sere così grosse da essere facilmente mar-cate mediante iniezione endocellulare diapposite sostanze, come la perossidasi delrafano. Se il marcatore non viene degra-dato, si può distribuire in tutta la proge-nie della cellula capostipite, o perlomenosu parecchie generazioni.

Dato che la maggior parte dei neuroniviene generata nel rivestimento ven-

tricolare del tubo neurale, o vicino a esso,e alla fine si porta a una certa distanzada questo strato, dopo aver abbandonatoil ciclo proliferativo, essi devono passareattraverso almeno una fase migratoria. Sihanno solo pochi casi in cui le cellule siallontanano dalla zona ventricolare purcontinuando a proliferare. Ciò si osservain generale in una particolare regione, chesi trova tra la zona ventricolare e la zonaintermedia, ed e nota come zona subven-

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VERSO LA ZONAINTERMEDIA

SUPERFICIE ESTERNA

SUPERFICIE INTERNA

I nuclei delle cellule nervose migrano nello strato di tessuto epiteliale che forma la parete del tuboneurale nell'embrione in via di sviluppo, come mostra questa rappresentazione schematica di pa-recchi stadi. Quando, in questo strato, chiamato neuroepitelio o zona ventricolare, le cellule du-plicano il loro DNA, i nuclei migrano verso la superficie interna dell'epitelio, i prolungamenti pe-riferici si staccano dallo strato più esterno e le cellule diventano arrotondate prima di dividersi.Dopo la mitosi (divisione cellulare), le cellule figlie o formano un nuovo prolungamento, così i lo-ro nuclei possono ritornare al livello centrale dell'epitelio, o (se le cellule hanno cessato di divider-si) migrano fuori dall'epitelio per formare parte della zona intermedia della parete del cervello.

4

ZM

PC

3

ZM

PCZI

1

ZM

ZV

I Z

2ZM

In questa figura viene illus rato il progressivo ispessimento della parete del cervello in via di svi-luppo. Nello stadio più precoce (1), la parete consiste solo di un epitelio «pseudostratificato», incui la zona ventricolare (Z V) contiene i corpi cellulari e la zona marginale (Z M) solo estesi prolun-gamenti cellulari esterni. Quando alcune cellule perdono la capacità di sintetizzare il DNA e si riti-rano dal ciclo mitotico (2) formano un secondo strato: la zona intermedia (ZI). Nel proencefalo,le cellule che passano attraverso questa zona si aggregano formando la placca corticale (PC), re-gione in cui si sviluppano i vari strati della corteccia cerebrale (3). Nello stadio più tardivo (4), lazona ventricolare originaria rimane come rivestimento ependimale dei ventricoli cerebrali e la re-gione povera di cellule, tra il rivestimento e la corteccia, diventa la materia bianca subcorticale,attraverso cui le fibre nervose entrano ed escono dalla corteccia. La zona subventricolare (ZS) èuna seconda regione proliferativa, dove si generano cellule gliali e alcuni neuroni del proencefalo.

ZI

ZS

ZV

ZS

ZV

tricolare. Questo strato, che è particolar-mente voluminoso nel proencefalo, dàorigine a molti dei neuroni più piccoli dialcune strutture profonde dell'emisferocerebrale (i gangli basali), a certi piccolineuroni corticali e a molte delle cellulegliali della corteccia cerebrale e della sot-tostante materia bianca. Nel metencefa-lo, alcune cellule della corrispondente re-gione subventricolare subiscono una se-conda migrazione sotto la superficie delcervelletto che si sta sviluppando, dovedanno origine a una speciale zona prolife-rativa, nota come strato granulare ester-no. Nel cervello umano, la proliferazionein questo strato prosegue per parecchiesettimane e dà origine alla maggior partedegli interneuroni della corteccia cerebel-lare, tra cui i miliardi di cellule a granulo,che rappresentano una caratteristica pe-culiare del cervelletto. Con queste e conpoche altre eccezioni, la maggior partedelle migrazioni di neuroni comporta lospostamento di cellule postmitotiche.

Il processo di migrazione dei neuronisembra essere di tipo ameboide nellamaggior parte dei casi: le cellule che mi-grano emettono una protuberanza inavanti che si attacca a qualche substratoadatto; il nucleo fluisce in essa, o vi vieneattirato, mentre la parte di coda dietro ilnucleo viene ritratta. Si tratta di un pro-cedimento piuttosto lento, essendo la ve-locità media di migrazione dell'ordine diun decimo di millimetro al giorno. Soloin pochi casi, la cellula considerata glo-balmente non migra e, al contrario, co-mincia a formare alcune delle sue protu-beranze in uno stadio precoce dello svi-luppo; in seguito, il corpo cellulare si ri-trae progressivamente dalle prime protu-beranze generate che rimangono, in prati-ca, là dove sono state formate.

Dato che i neuroni migrano spesso aconsiderevoli distanze, sarebbe interes-sante sapere a quali tipi di stimoli direzio-nali essi rispondono. In particolare, comepossono sapere quando devono bloccarela migrazione e cominciare ad aggregarsicon altri neuroni dello stesso tipo? Da unpo' di tempo si sa che, all'interno del cer-vello in via di formazione, esistono cellu-le gliali specializzate, i cui corpi cellularigiacciono nella zona ventricolare e i cuiprolungamenti si estendono radialmenteverso la superficie. Dato che esse com-paiono in uno stadio precoce dello svilup-po e persistono per un certo tempo dopoche si è conclusa la migrazione dei neuro-ni, è stata avanzata l'ipotesi che le cellulegliali potrebbero fornire un'adatta impal-catura lungo la quale i neuroni migrantisarebbero liberi di muoversi. È indubbioche, nelle microfotografie elettronichedella maggior parte delle aree del cervelloin via di sviluppo, le cellule che migranosi trovano quasi invariabilmente associa-te con i prolungamenti gliali vicini. Que-sta relazione ha indotto Pasko Rakic del-la Yale University School of Medicine apostulare che le cellule che migrano sonoorientate verso la loro localizzazione de-finitiva da questi prolungamenti gliali. Asostegno di quest'opinione, Rakic e Ri-chard L. Sidman del Children's Hospital

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CELLULAGLIALERADIALEZONA SUBVENTRICOLARE C

ZONA VENTRICOLARE C

SUPERFICIE ESTERNA v PROLUNGAMENTOGUIDA DELNEURONE

PLACCA CORTICALE

NEURONEMIGRA

NUCLEO

PROLUNGAMENTODELLA CELLULAGLIALE RADIALE

PROLUNGAMENTODEL NEURONERAMPICANTE

ZONA MARGINALE

ZONA INTERMEDIA

SUPERFICIE INTERNA

Cellule specializzate di sostegno, le cellule gliali radiali, compaiono durante i primi stadi di svilup-po del sistema nervoso. Esse si distinguono per i loro prolungamenti estremamente lunghi, che oc-cupano l'intero spessore della parete del tubo neurale e le strutture derivate. Il disegno in altomostra come appaiono le cellule gliali radiali in un preparato, sottoposto a colorazione di Golgi, diuna spessa sezione trasversale, condotta in un feto di scimmia attraverso la parete di un emisferocerebrale. I corpi cellulari si trovano nella zona ventricolare e i loro p rolungamenti si estendonoverso la superficie esterna degli strati circostanti, dove sembra che formino degli attacchi termina-li espansi. In basso a sinistra, viene riportata un'immagine ingrandita di un segmento di questa se-zione trasversale. La piccola porzione di tessuto all'interno del rettangolo colorato è ancora in-grandita nel particolare tridimensionale in basso a destra, che si basa sugli studi compiuti al mi-eraszapk, da RaLie. L fignra rivela lo Ctretto rapporto tra i prolun gamenti delle cellule 2liali ra-diali e i neuroni che migrano, rapporto che si osserva nella maggior parte delle aree cerebrali.

Medica! Center di Boston hanno notatoche in una delle più sorprendenti muta-zioni genetiche che colpiscono il cervellet-to del topo, i prolungamenti gliali radialidegenerano in uno stadio relativamenteprecoce; apparentemente come risultatodi questa degenerazione, la migrazionedella maggior parte delle cellule a granuloviene gravemente interrotta.

Se si considerano le distanze che moltineuroni percorrono nel corso dello svi-luppo, non deve sorprendere il fatto che,durante la loro migrazione, alcune cellulesiano fuorviate e vadano a finire in posi-zioni marcatamente anomale. Questa col-locazione fuori posto dei neuroni (defini-ta ectopia) è stata riconosciuta dai pato-logi già da molto tempo come un eventoconcomitante di certi grossolani disordininello sviluppo del cervello, ma non si tie-ne generalmente conto del fatto che, an-che durante lo sviluppo normale, una ali-quota di cellule che migrano possa reagi-re in modo anomalo ai normali stimolidirezionali e finisca in posizioni aberran-ti. Recenti progressi tecnici hanno per-messo di riconoscere cellule di questo tipoin parecchi casi ed è significativo il fattoche la maggioranza di questi neuroni er-roneamente situati sembra che venga eli-minata durante i successivi stadi di svi-luppo. In una popolazione di neuroni,che è stata attentamente studiata da que-sto punto di vista, si è trovato che circa iltre per cento delle cellule migra verso unaqualche localizzazione anomala; tutte,tranne un piccolo numero, degeneranoperò durante la successiva fase di mortecellulare naturale.

Quando i neuroni migranti raggiungo-no le loro posizioni definitive, in genere siaggregano con altre cellule di tipo simile eformano o degli strati corticali o dellemasse nucleari. La tendenza delle cellulein via di sviluppo, che hanno la stessa ori-gine embrionale, ad aderire l'una all'altrain maniera selettiva è stata dimostrata perla prima volta più di cinquanta anni fa,ma solo nell'ultimo decennio questo ar-gomento ha attirato l'attenzione da partedei neuroembriologi. In buona parte, lostimolo iniziale per le ricerche più recentiha avuto origine dalle indagini sui mecca-nismi molecolari, che sono alla base dellaformazione di connessioni specifiche tragruppi affini di neuroni. Sfortunatamen-te questo problema si è dimostrato refrat-tario a ogni tentativo di soluzione; tutta-via, buona parte del lavoro compiuto sudi esso verte direttamente sull'importantetema di come si formino nel cervello, du-rante lo sviluppo, popolazioni distinte dineuroni.

Forse il risultato più importante emer-so da questi studi è che, quando celluleprovenienti da due o tre regioni diversedel sistema nervoso che si sta sviluppan-do vengono dissociate (in genere mecca-nicamente o mediante blando trattamen-to chimico), una volta rimesse insieme elasciate riaggregare in un mezzo adattotendono a separarsi tra loro in modo chele cellule di ogni regione si aggregano conaltre cellule della stessa regione in manie-ra preferenziale. Questa capacita Cl! ade-

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In queste due mierofotografie elettroniche sono visibili i coni di crescita(strutture estremamente mobili ed espanse, alle estremità dei prolun-gamenti dei neuroni in accrescimento). La microfotografia a sinistra,eseguita al microscopio elettronico a trasmissione, mostra una coppia diconi di crescita all'estremità di un prolungamento di tipo assonico inuna cellula di ganglio simpatico di ratto. Tale cellula era stata preceden-temente dissociata e mantenuta in una coltura di tessuti e il prolunga-mento che compare qui si era ramificato pochi minuti prima che lacellula venisse fissata e preparata (senza essere sezionata) per essere

vista al microscopio elettronico. Le sottili espansioni digitiformi sonofilopodi, le lamine piatte interposte, simili a veli, sono lamellipodi. Lamicrofotografia a destra, ottenuta al microscopio elettronico a scansio-ne, mostra un dendrite di un neurone, ottenuto dall'ippocampo di un fetodi ratto mentre sta crescendo. In questa immagine di superficie, i coni dicrescita si sono formati dopo che il neurone è stato dissociato e coltivatoin vitro solo due ore. Le fotografie sono state scattate alla WashingtonUniversity School of Medicine: quella di sinistra da J. Michael Cochrane Mary Bartlett Bunge, quella di destra da Steven R. Rothman.

sione selettiva sembra sia una proprietàgenerale di tutte le cellule viventi ed è pro-babilmente dovuta alla comparsa sullaloro superficie di classi specifiche di gros-se molecole, che servono sia a «riconosce-re» cellule dello stesso tipo sia a legarleassieme. Queste molecole, che fungonoda leganti esocellulari, sembra sianoestremamente specifiche per ogni tipo dicellula. Inoltre, sembra che esse si modi-fichino sia come numero sia come distri-buzione a mano a mano che lo sviluppoprocede. Attualmente, ricercatori in pa-recchi laboratori stanno tentando di iso-lare e caratterizzare questi e altri legantidi superficie e pare che questo sarà il pri-mo importante problema nello sviluppodel sistema nervoso a essere analizzatocon successo a livello molecolare.

Una caratteristica peculiare dell'aggre-gazione cellulare nel sistema nervoso invia di sviluppo è che, nella maggior partedelle aree cerebrali, le cellule non soloaderiscono l'una all'altra, ma addiritturaadottano un certo orientamento preferen-ziale. Per esempio, nella corteccia cere-brale, la maggior parte dei grossi neuronipiramidali sono uniformemente allinea-ti con i loro dendriti apicali sporgenti,orientati verso la superficie, e gli assonisono diretti verso la sottostante materiabianca. Non è chiaro come queste celluleriescano ad allinearsi in questo modo, masembra probabile che questo fatto si deb-ba attribuire o all'esistenza di differenti

classi di molecole sulla superficie cellula-re, interessate in maniera specificaall'orientamento cellula-cellula, o alla ri-distribuzione selettiva delle molecole disuperficie che sono responsabili dell'ag-gregazione cellulare iniziale.

JJ na delle caratteristiche più sorpren-denti nello sviluppo dei neuroni è

l'elaborazione progressiva dei loro pro-lungamenti, ma questo è soltanto unaspetto del loro differenziamento. Pari-menti importante è il fatto che adottinouna particolare modalità di trasmissione(la maggior parte dei neuroni genera po-tenziali d'azione, ma alcuni mostrano so-lamente una trasmissione in diminuzione)e che scelgano uno dei due tipi di intera-zione con altre cellule (o per formazionedi sinapsi convenzionali per avere la libe-razione di un trasmettitore chimico, o performazione di giunzioni facilitanti inter-vallate, che permettono lo stabilirsi di in-terazioni elettriche tra le cellule). Solo orai neurobiologi cominciano ad apprenderealcune cose su questi aspetti più nascostidel differenziamento dei neuroni e stannofacendo luce sul fatto che i neuroni pos-sono essere considerevolmente più com-plessi di quanto si fosse immaginato. Peresempio, è stato mostrato di recente chealcuni neuroni possono passare da un tra-smettitore all'altro (più precisamente dal-la noradrenalina all'acetilcolina) sottol'influsso di certi fattori ambientali, men-

tre altri possono mostrare un cambia-mento a proposito dello ione principale,di cui si servono per la propagazione de-gli impulsi nervosi, in diversi stadi di svi-luppo (possono passare, per esempio, dalcalcio al sodio).

Un numero più rilevante di nozioni siha, invece, a riguardo della formazionedei prolungamenti dei neuroni. La mag-gior parte di questi, nel cervello dei mam-miferi, è multipolare, con parecchi den-driti rastremati, che generalmente fungo-no da prolungamenti recettivi, e un singo-lo assone, che funge da principale prolun-gamento effettore della cellula. Benchéalcune cellule formino notoriamente i lo-ro prolungamenti prima di cominciare amigrare, la maggior parte di esse comin-cia a farlo solo dopo aver raggiunto laposizione definitiva. Non è chiaro che co-sa esattamente stimoli questa produzio-ne. Studi su neuroni immaturi, isolati, emantenuti in una coltura di tessuti, han-no rivelato che i prolungamenti si forma-no soltanto quando le cellule riescono adaderire a un substrato adatto e che, inqueste condizioni, tali cellule sono spessoin grado di formare un corredo pratica-mente normale di dendriti e di assoni. Inalcuni casi, malgrado le condizioni deci-samente artificiali in cui i neuroni vengo-no fatti crescere, l'aspetto complessivodei dendriti che si formano assomigliamoltissimo a quello riconoscibile nel cer-vello intatto, anche se le cellule sono pri-

vate di ogni contatto con gli altri neuronio addirittura con le cellule gliali. Osserva-zioni di questo tipo portano a ritenere chel'informazione necessaria al neurone af-finché generi le proprie caratteristiche ra-mificazioni denditriche venga determina-ta geneticamente.

E' anche evidente, però, che durante losviluppo normale del cervello la maggiorparte dei neuroni viene sottoposta a unavarietà di influssi meccanici locali chepossono modificarne la forma. Certa-mente il numero e la distribuzione degliingressi che le cellule ricevono possonoinfluenzare in maniera critica la loro for-ma definitiva. Un sorprendente esempiodi questo effetto si nota nel cervelletto. Idendriti della classe più caratteristica dineuroni della corteccia cerebellare, le cel-lule di Purkinje, presentano normalmen-te una disposizione planare tipica, orien-tata ad angolo retto rispetto agli assonidelle cellule a granulo, che costituisconoil loro ingresso principale; se, per una ra-gione qualsiasi, viene infranta l'abitualedisposizione regolare di questi assoni, ri-sulta di conseguenza alterata la distribu-zione planare dei dendriti delle cellule diPurkinje.

Oggi si conosce il vero meccanismomediante il quale i prolungamenti di unneurone si allungano. La maggior partedi questi prolungamenti porta strutturecaratteristiche in corrispondenza delleestremità che si accrescono, chiamate co-ni di crescita. Espansi, estremamente mo-bili, in continua apparente esplorazionedell'ambiente immediatamente circostan-te, finché sono vivi essi sono la sede doveal prolungamento che cresce viene ag-giunta la maggior parte del nuovo mate-riale. Quando un prolungamento si rami-fica, quasi sempre lo fa per formazione diun nuovo cono di crescita. Pur essendo leprove in gran parte indirette, vi sono mo-tivi per pensare che questo cono di cresci-ta abbia codificate in sé (o su di sé) quellenecessarie proprietà molecolari che glipermettono sia di individuare dei substra-ti adatti su cui crescere sia di identificareopportuni bersagli. Esperimenti in cui ineuroni sono stati coltivati su vari sub-strati artificiali indicano che la maggiorparte dei prolungamenti cresce preferibil-mente su superfici aventi una elevata ca-pacità di adesione.

Una delle questioni più complicate nel-l'intero campo della neurobiologia dellosviluppo è rappresentato dal modo in cuigli assoni riescono a trovare il loro cam-mino. E' particolarmente difficile render-si conto di come fanno a prolungarsi suconsiderevoli percorsi, all'interno del cer-vello e, in uno o più punti, di come devia-no a destra o a sinistra, passano dal latoopposto del cervello e formano una o piùramificazioni prima di raggiungere la lo-ro destinazione predeterminata. In alcunisistemi, sembra che gli assoni si accresca-no semplicemente sotto l'influenza di cer-ti gradienti che agiscono lungo gli assiprincipali del cervello e del midollo spina-le; in altri sistemi sembrano guidati, inve-ce, dai loro rapporti con i più prossimi vi-cini. In molti casi, per contro, sembra che

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Un metodo sperimentale per studiare come i neuroni stabiliscono un quadro specifico di connes-sioni, nel cervello in sia di sviluppo, comporta la manipolazione della proiezione della retina sulletto ottico del mesencefalo. In questo metodo il cui pioniere è stato Roger W. Sperry del Califor-nia Institute of Technology, vengono ruotati o trapiantati occhi di rane adulte (o di girini in v aristadi dello sviluppo). In seguito, quando il nervo ottico si è rigenerato (o quando i girini si sonometamorfosati in rane e gli assoni delle cellule gangliari retiniche, che comprendono il nervo otti-co, hanno stabilito delle connessioni nel tetto ottico), si può vedere quale effetto ha avuto l'opera-zione sul comportamento visivo delle rane; si può anche costruire una mappa elettrofisiologicadella proiezione retinica sul tetto. Questa serie di disegni, basata sul lavoro di Sperry, mostra inprimo luogo il comportamento di una rana di controllo con gli occhi nelle posizioni normali (a).Nell'esperimento b, l'occhio destro è stato ruotato di 180 gradi; quando la rana è stata sottopostaa un controllo un po' di tempo dopo che il nervo ottico si era rigenerato, il suo tentativo di rag-giungere un'esca situata nel suo campo visivo superiore è stato compiuto in una direzione sbaglia-ta esattamente di 180 gradi. Nell'esperimento c, l'occhio sinistro è stato messo al posto dell'occhiodestro, invertendo l'asse dorsoventrale (freccia spessa); in questo caso, la rana ha diretto la suamira in avanti verso l'esca, ma nella direzione del suo campo visivo inferiore, invece di quello su-periore. Nell'esperimento d, si ha un analogo trapianto, ma questa volta invertendo l'occhio solonella direzione anteroposteriore (freccia sottile); la rana avvertiva che l'esca era nel campo visivosuperiore, ma mirava in avanti invece che indietro. Il risultato concorda con l'opinione che, du-rante la rigenerazione, le fibre del nervo ottico crescono sempre verso monte, in direzione di quel-la parte del tetto ottico che, in origine, avevano innervato e che, durante lo sviluppo normale, tro-vano parimenti «la via giusta» verso le posizioni corrette nel tetto ottico. Questi dati vengonomeglio interpretati con l'ipotesi che sia le cellule gangliari retiniche sia i loro neuroni bersaglio neltetto ottico abbiano caratteristiche chimiche che ne permettono la reciproca identificazione.

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Baffi e raggruppamenti di cellule sensoriali a barilotto in giovani topi sono uno dei molti sistemi chedimostrano la dipendenza critica del sistema nervoso in via di sviluppo dalle sue afferenze. In questocaso i baffi sono i peli sensoriali presenti sul muso; i barilotti sono aggregati di neuroni situati nelquarto strato della corteccia cerebrale del topo. Ogni barilotto riceve l'impulso da un unico baffo sullato opposto del muso (a). Se, poco dopo la nascita, viene distrutta una fila di baffi, si noterà inseguito che, nella corteccia cerebrale. mancherà la corrispondente fila di barilotti e quelli vicinirisulteranno ingranditi (b, e). Se vengono distrutti tutti i baffi, l'intero gruppo di barilotti scompa-re (d). Nella corteccia, durante lo sviluppo, deve esistere una notevole plasticità, dato che le fibreche innervano i baffi non sono direttamente connesse con la corteccia, ma sono collegate attra-verso almeno due sinapsi. La figura è stata ricavata da un lavoro di Thomas A. Woolsey.

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l'assone che si sta allungando abbia codi-ficato in sé un sofisticato meccanismomolecolare che gli permette di reagire inmaniera corretta agli stimoli strutturali ochimici che gli giungono lungo la via.

Questa crescita sotto controllo direzio-nale è stata dimostrata di recente da RitaLevi-Montalcini del Laboratorio di biolo-gia cellulare del Consiglio Nazionale delleRicerche di Roma. Quando, con i suoicolleghi, essa ha iniettato nel cervello digiovani ratti la proteina nota come fatto-re di crescita nervosa (NGF) ha notatouna crescita anomala degli assoni a parti-re da cellule di gangli simpatici (neuroniperiferici che si trovano lungo la colonnavertebrale e che sono notoriamente sensi-bili al NGF). Questi assoni entravano nelmidollo spinale e poi risalivano verso ilcervello apparentemente lungo la via didiffusione del fattore di crescita nervosa,che era stato iniettato. In questo caso,l'NGF agiva non tanto come sostanzatrofica, o promotrice della crescita (comefa normalmente), ma piuttosto come unasostanza tropica, determinante della dire-zione, mentre gli assoni dei nervi simpati-ci rispondevano alla sua presenza per che-miotropismo.

Esistono due altre proprietà della cre-scita dei prolungamenti nervosi che meri-tano un commento. Sembra che la mag-gior parte dei neuroni produca molti piùprolungamenti di quelli che sono al mo-mento necessari o che, in seguito, saran-no in grado di mantenere. Pertanto, lamaggior parte dei giovani neuroni pre-senta un grande numero di corte forma-zioni simili a dendriti, che verranno quasitutte retratte quando la cellula maturerà.Parimenti, sembra che la maggior partedegli assoni in via di formazione stabili-sca molte più connessioni di quelle chesaranno necessarie una volta raggiunta lamaturità e comunemente vi è una fase dieliminazione dei prolungamenti durantela quale vengono eliminate molte (in alcu-ni casi tutte tranne una) delle connessionidel gruppo iniziale. La seconda proprietàè una forte tendenza degli assoni a cresce-re in stretta associazione con i vicini, unfenomeno noto come fascicolazione. Re-centi ricerche hanno suggerito che questatendenza può essere associata alla com-parsa, lungo la maggior parte degli assonidi leganti di superficie che permettono lo-ro di unirsi agli altri assoni di tipo simile edi accrescersi con loro. In almeno un ca-so, sembra che, proprio a causa di questotipo di associazione laterale, solo il primoassone del gruppo sviluppi un cono dicrescita convenzionale, mentre gli altriassoni lo seguono semplicemente.

Eindubbio che l'argomento più im-portante non ancora risolto, nello

sviluppo del cervello, sia la questione dicome i neuroni stabiliscano quadri speci-fici di connessioni. Le vecchie ipotesi se-condo cui la maggior parte delle connes-sioni cerebrali era stata selezionata fun-zionalmente a partire da una serie di con-nessioni generate a caso sembrano oggivisibilmente insostenibili. La maggiorparte delle connessioni sono stabilite esat-

tamente già in uno stadio precoce dellosviluppo e vi sono numerose prove che leconnessioni formate siano specifiche nonsoltanto per particolari regioni del cervel-lo, ma anche per particolari neuroni (e, inalcuni casi, particolari parti di neuroni)all'interno di tali regioni.

Sono state avanzate parecchie ipotesiper spiegare in che modo si realizza que-sta notevole precisione. Alcuni ricercatorihanno sostenuto che essa può venire spie-gata semplicemente sulla base del fattoche gli assoni che si accrescono manten-gono le stesse relazioni topografiche,l'uno rispetto all'altro, dei loro corpi cel-lulari parentali. Altri hanno suggerito chela scansione temporale degli eventi (inparticolare il momento in cui i differentigruppi di fibre raggiungono le regionibersaglio) sia un momento critico. L'uni-ca spiegazione che sembra adattarsi benea tutti i fenomeni osservati è l'ipotesi del-la chemioaffinità, formulata per la primavolta da Roger W. Sperry del CaliforniaInstitute of Technology. Secondo questoautore, la maggior parte dei neuroni (opiù probabilmente, la maggior parte dellepiccole popolazioni di neuroni) si diffe-renzia sotto l'aspetto chimico, in uno sta-dio precoce dello sviluppo, in base allaposizione occupata, e questo aspetto deldifferenziamento si esprime con l'esisten-za di marcatori caratteristici, che permet-tono agli assoni dei neuroni di riconosce-re sia un altro marcatore uguale sia unmarcatore complementare sulla superfi-cie dei loro neuroni bersaglio.

Benché il problema sia di carattere ge-nerale e riguardi tutte le parti del sistemanervoso, tuttavia, esso è stato studiato inmaniera più approfondita in due sistemi:l'innervazione della muscolatura degli ar-ti da parte dei relativi neuroni motori,presenti nel midollo spinale, e la proiezio-ne delle cellule gangliari della retina versola loro principale terminazione nel cervel-lo dei vertebrati inferiori, cioè nel tettoottico. Studi effettuati sull'innervazionemuscolare indicano che, in circostanzenormali, piccole popolazioni di neuronimotori, dette complessi di neuroni moto-ri, si segregano in uno stadio precoce del-lo sviluppo e ogni complesso innerva inmaniera preferenziale uno specifico mu-scolo dell'arto. Pochi errori vengonocompiuti in questo processo. Benché laspecificità dell'innervazione abbia nor-malmente un andamento preciso, il fattonon è assoluto. Pertanto, se un arto po-steriore in soprannumero, proveniente daun embrione di pollo che funge da dona-tore, viene trapiantato a lato dell'arto po-steriore normale di un embrione, che fun-ge da ricevente, i muscoli dell'arto in so-prannumero vengono invariabilmente in-nervati da un complesso di neuroni moto-ri che, di solito, innervano o parti deltronco o parti della muscolatura dellacintura pelvica. Il tipo di innervazione èchiaramente aberrante, ma il fatto che imuscoli dell'arto trapiantato siano sem-pre innervati dalle stesse popolazioni dicellule fa pensare che, perfino in questecondizioni insolite, gli assoni dei neuronimotori obbediscano a una certa (ancora

non ben identificata) sequenza di regole.Il sistema tettoretinico è risultato parti-

colarmente utile per l'analisi del proble-ma. Negli anfibi, negli stadi embrionali elarvali, è possibile realizzare una varietàdi manipolazioni sperimentali, come larotazione dell'occhio, la produzione diocchi composti a partire da frammenti ditessuti, ottenuti da differenti segmenti didue o più retine, e l'ablazione o rotazionedi parti del tetto ottico. In seguito, quan-do il sistema è completamente sviluppato,è facile determinare, da un punto di vistaanatomico, elettrofisiologico o compor-tamentale, le connessioni formate dallecellule gangliari della retina. Inoltre, neipesci e negli anfibi, il nervo ottico (che siforma dagli assoni delle cellule gangliariretiniche) è in grado di rigenerarsi dopoche le sue fibre sono state interrotte, percui è possibile effettuare molti degli stessitipi di manipolazioni sperimentali neglianimali giovani e adulti. Data ormai lavastità dei dati disponibili su questo si-stema, esistenti oggi in letteratura, si pos-sono riassumere qui solo alcuni dei prin-cipali risultati conseguiti.

FForse i più importanti risultati emersidal suddetto lavoro provengono da

due gruppi principali di esperimenti. Nelprimo gruppo, in rane e salamandre è sta-to tagliato un nervo ottico e l'occhio èstato ruotato di 180 gradi. Negli altriesperimenti, nei carassi dorati e nelle ranesono state tagliate porzioni del tetto otti-co e sono state ruotate o trasportate inun'altra parte del tetto ottico. In entram-be le serie di esperimenti, si è potuto mo-strare, per via elettrofisiologica o com-portamentale, che le fibre rigenerate, ac-crescendosi, si erano portate di nuovonelle stesse parti del tetto, che avevanooriginariamente innervato. La spiegazio-ne più semplice di questo risultato è chegli assoni delle cellule gangliari e i loroneuroni bersaglio nel tetto ottico sono inqualche modo marcati e che gli assoni ingrado di rigenerarsi, accrescendosi, tor-nano indietro fino a che «riconoscono» imarcatori giusti sui neuroni nella parterelativa del tetto ottico.

È difficile confutare l'argomentazioneche, in simili circostanze, le fibre prove-nienti da differenti parti della retina ab-biano lasciato in precedenza la loro «im-pronta» sui gruppi di cellule del tetto, aesse correlati, e che gli assoni o i neuronidel tetto semplicemente «ricordino» la lo-ro precedente posizione. Vi è, comunque,un certo numero di prove che fanno pen-sare che un simile meccanismo possa ser-vire a spiegare lo sviluppo iniziale del si-stema. Se un occhio di rana, che si sta svi-luppando, viene ruotato prima di rag-giungere un certo stadio critico, la proie-zione della retina sul tetto, che ne risulta,tende a essere normale. Se la rotazioneviene compiuta, invece, dopo tale perio-do, la proiezione appare invariabilmenteruotata dello stesso grado. Alla stessastregua, se l'intero tetto ottico embriona-le viene ruotato di 180 gradi nella dimen-sione testa-coda (assieme a una porzionedel proencefalo che si trova proprio di

fronte a esso), la proiezione retinica for-mata risulta di nuovo invertita.

Questi esperimenti suggeriscono cheesiste un certo stadio, nello sviluppo dellamaggior parte dei centri nervosi, duranteil quale essi assumono una topografia po-larizzata, in modo tale che i loro neuronicostituenti acquisiscono una certa carat-teristica determinante, la quale stabiliscel'organizzazione spaziale della proiezionecome un tutto. Marcus Jacobson dellaUniversity of Miami School of Medicineha mostrato alcuni anni fa, che nell'anu-ro Xenopus laevis, la retina assume unapolarizzazione simile all'incirca nel mo-mento in cui le prime cellule gangliari siritraggono dal ciclo mitotico. Benché aquesto stadio sia presente solo l'uno percento circa delle cellule gangliari, sembragià definito l'intero futuro quadro dellaproiezione retinica sul tetto ottico. Non èaffatto chiaro in che modo i neuroni ac-quisiscano informazioni di questo tipo,relative alla posizione, o in che modoqueste informazioni si esprimano nellaproliferazione dei loro prolungamenti.Sembra, tuttavia, che i meccanismi chedeterminano la polarità non siamo limi-tati al sistema nervoso, ma operino in tut-to l'organismo. R. Kevin Hunt dellaJohns Hopkins University e Jacobsonhanno trovato che, se un occhio che si stasviluppando viene trapiantato nel fiancodi una larva di rana, prima del periododella specificazione assiale, e viene lascia-to in questa posizione anormale duranteil periodo critico, quando viene nuova-mente trapiantato nell'orbita, o cavitàoculare, le cellule gangliari stabilisconodelle connessioni all'interno del tetto otti-co, connessioni che riflettono l'orienta-mento dell'occhio durante il periodo incui si trovava nel fianco della larva, piùche la sua posizione dopo che è stato risi-stemato nell'orbita.

Quando un assone, durante la fase diaccrescimento, raggiunge il suo giustobersaglio, sia esso un altro gruppo di neu-roni o un tessuto effettore come un insie-me di cellule muscolari o ghiandolari,stabilisce con queste cellule contatti fun-zionali specializzati, le sinapsi. Ed è pro-prio in corrispondenza di questi punti chel'informazione viene trasmessa da unacellula a un'altra, generalmente attraver-so la liberazione di piccole quantità di unadatto trasmettitore (si veda l'articolo Lachimica del cervello di Leslie L. Iversen,a pagina 74). Un grande numero di pro-ve fenomenologiche fa pensare che, incorrispondenza delle sinapsi, vi sia un im-portante trasporto in due sensi di sostan-ze essenziali per la sopravvivenza e il nor-male funzionamento di ambedue le cellu-le, presinaptica e postsinaptica. Questesostanze, che vengono collettivamente ci-tate con il nome di fattori trofici, sonoper la maggior parte ipotetiche. Solo una(il fattore di crescita nervosa) è stataidentificata e caratterizzata sotto l'aspet-to chimico. Questa sostanza, che è stataidentificata per la prima volta negli annicinquanta da Viktor Hamburger e da R.Levi-Montalcini alla Washington Univer-sity, è risultata essere una proteina, che si

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Abbiamo chiesto a 100 persone con capelli conforfora o grassidi usare per un mese gli shampoo DS Pierrel al catrame

vegetale e annerir°,

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ft ftDopo un mese sia lo shampoo DS al catrame vegetale

per la forfora che lo shampoo annerir° per i capelli grassihanno dato risultati concreti e duraturi in 81 casi su 100.

trova normalmente sotto forma di unacoppia di catene amminoacide identiche,ciascuna con un peso molecolare lieve-mente al di sopra dei 13 000 dalton.

Anche se non è stata ancora definita lamodalità d'azione del fattore di crescitanervosa, si sa che è essenziale per la cre-scita e la sopravvivenza delle cellule deigangli simpatici e che, durante lo svilup-po, promuove in maniera specifical'emissione di prolungamenti da questecellule e da quelle di certi gangli spinali.Inoltre, come ho già notato, in alcuni casipuò influenzare la proliferazione orienta-ta delle fibre dei nervi simpativi. Vicever-sa, se si somministra a topi neonati unanticorpo contro il fattore di crescita ner-vosa, esso porta alla totale distruzionedel sistema nervoso simpatico. Anche inanimali adulti, sembra che il fattore dicrescita nervosa venga continuamente ri-fornito ai neuroni simpatici dai loro tes-suti bersaglio e che venga assunto dalleporzioni terminali dei loro assoni e tra-sportato poi al corpo cellulare. Se il rifor-nimento viene interrotto tagliando gli as-soni dei neuroni simpatici, viene grave-mente danneggiata la loro integrità fun-zionale e le sinapsi che terminano sullecellule vengono prontamente rimosse.Sembra con tutta probabilità che, nel cor-so dei prossimi anni, numerose altre so-stanze di questo tipo saranno isolate e sipuò facilmente mostrare che la maggiorparte delle classi di neuroni dipende, perla sopravvivenza e per lo sviluppo orien-tato dei suoi prolungamenti, da un agentespecifico.

Negli ultimi anni è risultato semprepiù evidente che lo sviluppo di mol-

te strutture e di molti tessuti è modellatoda fasi di morte cellulare esattamenteprogrammate. Questo vale anche nel casodel cervello in via di formazione. In mol-te regioni del cervello, il numero di neu-roni originariamente prodotti supera dimolto il numero di neuroni che sopravvi-vono oltre il periodo dello sviluppo. Inogni regione per la quale sono disponibilidati quantitativi, si è trovato che il nume-ro dei neuroni viene regolato durante unafase di decessi cellulari selettivi, che occu-pa sempre un periodo di tempo prevedibi-le (generalmente quando, più o meno, lapopolazione di neuroni nel suo complessoforma delle connessioni sinaptiche con ilrispettivo tessuto bersaglio). Non si sa sequesto fenomeno operi in ogni parte delcervello (è stato studiato principalmentein piccoli gruppi di cellule), ma in quellein cui è stato documentato interessa dal15 all'85 per cento della popolazione ini-ziale di neuroni.

Sembra quindi che, in molte parti delcervello, le dimensioni definitive dellapopolazione di neuroni vengano stabilitein due stadi: un primo stadio in cui vienegenerato un numero relativamente gran-de di cellule e uno stadio più tardivo incui il numero di neuroni viene regolato inmodo da armonizzarsi con la dimensionedel territorio che essi devono innervare.Si ammette comunemente che il fattore li-mitante che determina il numero definiti-

vo di cellule sia il numero di contatti fun-zionali che gli assoni dei neuroni in via disviluppo hanno a disposizione. E' certoche, se si riduce sperimentalmente la di-mensione del campo di proiezione, l'enti-tà dei decessi cellulari naturali viene ac-centuata in proporzione. Nel caso deineuroni motori spinali, che innervano lamuscolatura degli arti posteriori, è statopossibile ridurre, negli embrioni di pollo,l'entità dei decessi cellulari, aggiungendosperimentalmente un arto in soprannu-mero. Recenti esperimenti suggeriscono,tuttavia, che l'evento critico potrebbenon essere la formazione di connessioni,bensì la quantità di materiale trofico di-sponibile per le cellule.

In uno stadio dello sviluppo un pocosuccessivo, c'è una seconda messa a pun-to: non nelle dimensioni della popolazio-ne dei neuroni, ma nel numero di prolun-gamenti che le cellule conservano. Il fe-nomeno dell'eliminazione dei prolunga-menti (e della sinapsi) fu osservato per laprima volta nell'innervazione dei muscolidegli arti in giovani ratti. Mentre, in ani-mali adulti, la maggior parte delle cellulemuscolari è innervata da un solo assone,durante la prima settimana dopo la nasci-ta si può dimostrare che fino a cinque osei assoni separati formano sinapsi conogni fibra muscolare. Nelle due o tre set-timane successive, gli assoni supplemen-tari vengono progressivamente eliminati,fino a quando ne sopravvive uno solo.Una fase di eliminazione dei prolunga-menti, paragonabile a questa, è stata an-che rilevata in certe connessioni interneu-ronali sia nel sistema nervoso perifericosia nel cervello. Per citare un solo esem-pio dei molti possibili, nel cervelletto dianimali adulti, ogni cellula di Purkinje ri-ceve solo una fibra nervosa afferente del-la classe nota come fibre rampicanti, madurante il periodo immediatamente po-stnatale parecchie di queste fibre possonoentrare in contatto con ogni cellula diPurkinje. Tranne che in alcune mutazionigenetiche che colpiscono il cervelletto,tutte queste fibre, con l'esclusione di una,vengono eliminate.

La scoperta che molti prolungamentiprecoci vengono eliminati successivamen-te fa sorgere un interessante interrogati-vo: che cosa determina quali devono esse-re i prolungamenti che sopravvivono equali quelli che vengono eliminati? Finoa questo momento si può solo ipotizzareche le fibre, durante lo sviluppo, compe-tano tra loro in qualche modo. C'è anchequalche prova che suggerisce l'esistenzadi un fattore in grado di dare ad alcune fi-bre un vantaggio competitivo sulle altre:la loro attività funzionale. Certamente,in molti sistemi, la forma definitiva dellerelative popolazioni di neuroni emergesolo gradatamente a partire da una strut-tura piuttosto amorfa ed è spesso possibi-le alterare in maniera marcata l'aspettofinale di tale struttura e delle sue connes-sioni, interferendo con la sua funzionedurante certi periodi critici del suo svilup-po. Due esempi tratti dalle aree sensorialidella corteccia cerebrale serviranno perfare il punto.

Nel macaco, l'informazione provenien-te dalla retina raggiunge il quarto stratodella corteccia visiva attraverso una strut-tura chiamata corpo genicolato laterale.A questo livello della corteccia, le affe-renze dei due occhi sono separate: un fat-to che è stato dimostrato direttamente inanimali di laboratorio, iniettando in unodei loro occhi forti quantitativi di ammi-noacido marcato. Le cellule gangliari del-la retina assumono l'amminoacido mar-cato, lo incorporano nella loro proteina elo trasportano al corpo genicolato latera-le. Qui, viene liberata una frazione del-l'isotopo radioattivo marcatore che ri-sulta disponibile per l'incorporazione nel-le cellule del corpo genicolato, le qualipossono quindi trasportarla lungo i loroassoni fino alla corteccia visiva. Da auto-radiografie opportunamente preparate(in cui può essere messa in evidenza la di-stribuzione delle fibre marcate che rag-giungono la corteccia) risulta chiaro chel'area visiva primaria è costituita da ban-de alternate di dominanza di un occhio odell'altro, bande della larghezza di circa400 micrometri, che ricevono le afferenzeo dall'occhio destro o dall'occhio sini-stro. David H. Hubel, Torsten N. Wiesele Simon Le Vay della Harvard MedicalSchool hanno mostrato che se, a un ani-male di laboratorio, si suturano le palpe-bre di un occhio poco dopo la nascita (inmodo che la retina di quell'occhio nonvenga mai esposta a una precisa stimola-zione luminosa) le bande di dominanzaper quell'occhio sono molto più strette ri-spetto alle bande normali. Nello stessotempo, le bande connesse con l'occhio ri-masto aperto sono più ampie (la larghez-za totale delle due bande adiacenti rima-ne, invece, costante).

Questo risultato sembra essere deter-minato in parte dal restringimento dellebande di dominanza, relative all'occhiochiuso, e da una secondaria espansionedelle bande associate con l'occhio chemantiene la normale funzionalità, e inparte dalla persistenza di una precedentee più ampia distribuzione delle fibre pro-venienti dall'occhio rimasto aperto. Sevengono esaminate in differenti stadi disviluppo le afferenze dai due occhi, si puòmostrare che, quando le fibre provenientidal corpo genicolato laterale raggiungo-no per la prima volta la corteccia visiva,le afferenze provenienti da un occhio sisovrappongono in larga misura a quelleprovenienti dall'altro occhio. Solo versola fine del primo mese di vita postnatalele bande di dominanza dei due occhi ri-sultano chiaramente definite. Alla luce diquesta scoperta (e dei risultati degli espe-rimenti in cui l'occhio suturato è statoriaperto e l'altro è stato chiuso), sembraprobabile che l'effetto della deprivazionevisiva consista nel mettere in un certosvantaggio le cellule genicolo-corticaliconnesse con l'occhio suturato, in modoche diminuisca la loro efficienza nel com-petere per i siti sinaptici presenti sulle cel-lule bersaglio, situate nel quarto stratodella corteccia cerebrale.

Nel corrispondente strato della cortec-cia sensoriale del topo, le cellule sono di-

sposte in un certo numero di raggruppa-menti ben distinti, detti barilotti. Studi difisiologia hanno mostrato che ogni bari-lotto riceve un impulso da ogni singolobaffo sul lato opposto del muso del topo,essendo i baffi, per questo animale, i piùimportanti organi di senso. Thomas A.Woolsey della Washington UniversitySchool of Medicine, il quale ha ricono-sciuto per primo l'importanza delle sud-dette formazioni, ha trovato che, se si ri-muove un gruppetto di baffi nei primigiorni dopo la nascita, il corrispondentegruppo di barilotti nella corteccia non sisviluppa. Si tratta di un risultato partico-larmente interessante perché vi sono al-meno due gruppi intermedi di neuroni traquelli sensitivi che innervano i baffi equelli che costituiscono i barilotti nellacorteccia.

Queste e molte altre osservazioni chia-riscono che il cervello, durante lo svilup-po, è una struttura estremamente plasti-ca. Anche se molte regioni possono avereuna struttura rigida, non modificabile,altre (come la corteccia cerebrale) sonosoggette a una varietà di influenze, sia in-trinseche sia ambientali. La capacità delcervello di riorganizzarsi, in risposta alleinfluenze esterne o a lesioni localizzate, èattualmente uno dei campi più attivi dellaricerca neurobiologica, non solo a causadella sua ovvia attinenza con fenomenicome l'apprendimento e la memoria, e ilsuo peso sulla capacità del cervello diguarire dopo una lesione, ma anche perquello che probabilmente può rivelare ri-guardo al normale sviluppo cerebrale.

nfine, vale la pena di sottolineare chelo sviluppo del cervello, come lo svi-

luppo della maggior parte delle altrestrutture biologiche, non è scevro da er-rori. Ho già accennato al fatto che posso-no verificarsi deviazioni durante la mi-grazione dei neuroni. Sono noti anche pa-recchi casi in cui compaiono degli erroridurante lo stabilirsi di connessioni. Nelsistema visivo è stato notato da un certonumero di ricercatori che alcune fibre delnervo ottico, che dovrebbero attraversarela linea mediana nel chiasma ottico, inrealtà si comportano in maniera aberran-te e si allungano dallo stesso lato del cer-vello. In alcune di queste situazioni,l'asportazione di un occhio in un animaleda laboratorio può fare aumentare in mi-sura considerevole il numero di fibreorientate in maniera aberrante. Dato chequeste fibre aberranti non sono spesso vi-sibili nel cervello adulto, sembra quasiche gli assoni erroneamente orientati ven-gano eliminati in stadi successivi dellosviluppo (assieme a tutte le connessioninon giuste che hanno stabilito). Rimaneun enigma come siano riconosciuti erro-nei e come, in conseguenza di ciò, venga-no rimossi. Considerando la complessitàdei meccanismi dello sviluppo implicati,difficilmente si rimane sorpresi nel ri-scontrare degli errori. Sorprende, piutto-sto, che essi si verifichino solo raramentee inoltre che, spesso, possano venir elimi-nati in maniera efficace.

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