Un nuovo studio su Aplysia californica, un mollusco marino da tempo utilizzato nella ricerca neuroscientifica, mostra come una forma elementare di apprendimento si accompagna a modificazioni chimiche dell’RNA
La capacità di apprendere è una delle più fondamentali del sistema nervoso. E non importa quanto semplice sia ciò che apprendiamo: comporta comunque modifiche nient’affatto banali dell’attività dei neuroni e del modo in cui comunicano tra loro. Processi solo in parte noti, che però un recente studio aiuta a comprendere un po’ meglio partendo da un organismo apparentemente molto semplice: Aplysia californica, un mollusco marino altrimenti noto come lepre di mare.
A. californica, un mollusco per studiare l’apprendimento
Nonostante appaia più o meno con un ammasso informe, benché colorato, A. californica è una specie molto usata come modello per lo studio delle basi biologiche di memoria e apprendimento. A renderla interessante sotto questo punto di vista ci sono diversi aspetti: per esempio, i circa 10.000 neuroni del sistema nervoso centrale, un numero molto inferiore rispetto a quello dei mammiferi, molti dei quali relativamente grandi, identificabili e già ampiamente caratterizzati; oppure la possibilità di studiare in modo preciso la plasticità sinaptica, cioè la capacità delle connessioni tra neuroni di modificare la propria efficacia in risposta all’esperienza. Un’altra caratteristica molto utile della lepre di mare è la presenza di riflessi difensivi semplici, facilmente riproducibili e misurabili in laboratorio. Uno di questi è il riflesso di retrazione del sifone, che offre la possibilità di studiare una delle forme base dell’apprendimento, ossia il fenomeno dell’abituazione.
L’abituazione è quel processo in base a quale quando uno stimolo innocuo viene ripetuto più volte, l’organismo tende progressivamente a reagire meno intensamente. Un po’ come avviene per noi quando smettiamo di prestare attenzione a un rumore di fondo costante, come il ticchettio di un orologio, anche A. californica riduce in modo progressivo la durata della retrazione del sifone man mano che lo stimolo viene ripetuto. È uno dei molti esempi del ruolo chiave degli invertebrati nella ricerca scientifica: nel suo caso, è proprio la possibilità di collegare un comportamento facilmente osservabile all’attività di circuiti nervosi ben conosciuti rende questa specie particolarmente preziosa per indagare i meccanismi biologici dell’apprendimento.
Dall’abituazione alle modificazioni dell’RNA
Su questa base, il nuovo studio, condotto da un gruppo di ricerca della Tufts University e pubblicato su Science Signaling, ha mostrato come all’abituazione si accompagnino cambiamenti chimici in alcune molecole di RNA presenti nel sistema nervoso, che possono contribuire a regolare la produzione di proteine coinvolte nei processi di apprendimento. Più precisamente, il gruppo di ricerca ha studiato gli RNA di trasporto (tRNA), che svolgono un ruolo fondamentale nella sintesi delle proteine, combinando le osservazioni del comportamento animale con le analisi molecolari dei tessuti nervosi.
In una prima fase, ricercatrici e ricercatori hanno indotto l’abituazione sottoponendo gli animali a 30 stimolazioni consecutive del sifone (usando un piccolo getto d’acqua a intervalli di 30 secondi), misurando la durata della risposta difensiva e osservando come diminuisse in modo progressivo. Quindi gli animali sono stati anestetizzati e il gruppo di ricerca ha isolato alcuni gangli nervosi (cioè raggruppamenti di neuroni), con particolare attenzione al ganglio addominale, che contiene neuroni coinvolti nel riflesso studiato. Infine, attraverso una tecnica analitica chiamata cromatografia liquida associata alla spettrometria di massa, ha misurato le modificazioni chimiche presenti negli RNA di piccole dimensioni, tra cui i tRNA, confrontando gli animali sottoposti all’addestramento con animali di controllo non addestrati.
L’analisi ha permesso di identificare complessivamente 26 tipi di nucleosidi modificati nei tessuti analizzati, cinque dei quali non erano stati precedentemente descritti nel sistema nervoso di A. californica. E, confrontando gli animali abituati con quelli non addestrati, il gruppo di ricerca ha osservato cambiamenti significativi in alcune modificazioni chimiche dell’RNA, soprattutto in quello del ganglio addominale, mentre non sono emersi cambiamenti analoghi in altri gangli nervosi e senza che questo fosse accompagnato da variazioni significative nella quantità dei tRNA esaminati.
È interessante notare che alcune delle modificazioni analizzate riguardano tRNA mitocondriali, un elemento che apre la possibilità che l’apprendimento coinvolga anche meccanismi di regolazione della sintesi proteica all’interno dei mitocondri.
«Nel complesso, i nostri risultati rivelano che le modificazioni dei tRNA neuronali vengono riprogrammate durante una forma di apprendimento, sollevando nuove domande, verificabili sperimentalmente, sui meccanismi molecolari alla base dell’abituazione comportamentale», scrive il gruppo i ricerca. Infatti, tradizionalmente, negli studi sull’apprendimento è stata dedicata molta attenzione ai cambiamenti delle connessioni tra neuroni, all’espressione dei geni e alla sintesi delle proteine; questa ricerca suggerisce però che anche le modificazioni chimiche dei tRNA – e quindi i meccanismi post-trascrizionali – potrebbero rappresentare un ulteriore livello di regolazione da indagare.
Ora, dunque, servirà capire se, per esempio, queste modificazioni siano necessarie a produrre l’apprendimento, o quali sono le conseguenze sulla sintesi delle proteine. E probabilmente A. californica sarà ancora protagonista di queste ricerche, ponendo le basi per estenderle a organismi più complessi.