Neuroscience 137 (2006) 659–670
FICTIVE LOCOMOTOR PATTERNS GENERATED BY
TETRAETHYLAMMONIUM APPLICATION TO THE NEONATAL
RAT SPINAL CORD IN VITRO
G. TACCOLA AND A. NISTRI*
Neurobiology, CNR-INFM Unit and SPINAL Program, International
School for Advanced Studies, Via Beirut 4, 34014 Trieste, Italy
Giuliano Taccola: Mi preme condividere con voi la soddisfazione di veder pubblicato su Neuroscience, importante rivista scientifica internazionale, il primo lavoro di ricerca che reca il nome di S.P.I.N.A.L. tra le affiliazioni degli autori. Questo contributo è la concreta dimostrazione della fondatezza dell’entusiasmo e dell`impe-gno con cui abbiamo intrapreso il progetto. I ringraziamenti alla Regione FVG al termine dell`articolo testimoniano del fondamentale sostegno ricevuto dall`attuale Amministrazione Regionale. Un grazie da estendersi a tutti coloro che in Regione ci hanno supportato con il loro fattivo interessamento.
Di seguito un riassunto di quanto contenuto nell’articolo.
L’evidenza che il central pattern generator (CPG) é in grado di evocare le caratteristiche di base della locomozione anche in assenza di stimoli provenienti dai centri sovrassiali offre l’interessante possibilità di utilizzare le reti spinali per restituire benefici funzionali al paziente mieloleso.
A questo proposito é stata suggerita l’introduzione una terapia basata su di un approccio multiplo al problema che preveda: l’uso d’intense tecniche neuroriabilitative, il ricorso alle risorse della robotica e della bioingegneria e la somministrazione di farmaci che aumentino l’eccitabilità del CPG (Barbeau et al., 1999).
I miglioramenti ottenuti con questo tipo di terapia sono ascrivibili ad un rimodellamento plastico delle connessioni tra le cellule del CPG tale da ripristinare il fisiologico funzionamento delle reti spinali o tale da trarre vantaggio dall’esistenza nel midollo spinale di reti accessorie (Edgerton et al., 2004). Queste ultime sono composte da gruppi di cellule neuronali fisiologicamente predisposte all’esecuzione di compiti differenti che, in presenza di opportune stimolazioni, possono essere utilizzate per la produzione del ritmo locomotorio.
Recentemente Fampridine®, una nuova forma a rilascio modificato del bloccante ai canali al potassio voltaggio-dipendenti 4-aminopiridina (4-AP), é stata proposta nel trattamento sintomatico degli esiti da lesione cronica al midollo spinale. La formulazione è attualmente nella terza fase di sperimentazione clinica nei paesi nordamericani per valutarne l’efficacia nel restituire ai pazienti milelolesi miglioramenti a carico dei compartimenti motori, viscerali e sensoriali (Darlington, 2000).
Gli effetti riportati sono stati ascritti al blocco di particolari canali presenti sotto la guaina mielinica dei nervi spinali. Tali canali vengono, infatti, esposti in seguito alla demielinazione successiva ad un trauma, determinando il blocco della trasmissione di impulsi lungo le fibre spinali. Inoltre il blocco dei canali al potassio voltaggio dipendenti determina un aumento dell’eccitabilità dei neuroni e il potenziamento della trasmissione sinaptica centrale e periferica.
Nel nostro laboratorio, mediante registrazioni elettrofisiologiche da singolo motoneurone e da radici ventrali del midollo spinale isolato in vitro da ratto neonato, abbiamo studiato l’effetto del blocco delle conduttanze al potassio sull’operatività CPG.
Questo modello é uno dei più estesamente utilizzati nello studio della fisiologia delle reti locomotorie ed ha permesso di raggiungere nuove ed importanti conoscenze sul funzionamento del midollo spinale umano.
Risultati ottenuti nel nostro laboratorio hanno permesso di valutare che, alle basse concentrazioni suggerite per l’utilizzo in clinica, la 4-AP é in grado di aumentare l’operatività del CPG e di facilitarne il funzionamento in presenza di stimolazioni sottosoglia come quelle successive ad una lesione incompleta al midollo spinale dove solo parte delle fibre discendenti risultano interrotte.
La 4-AP non é risultata comunque in grado di attivare per sé il ritmo locomotorio in mancanza di altri inputs convergenti sul CPG.
Un diverso effetto è mostrato dall’applicazione del tetraetilammonio (TEA), un altro bloccante ai canali al potassio, in grado di indurre spontaneamente nel nostro preparato un ritmo locomotorio. Mentre l’applicazione della 4-AP é capace di facilitare l’attività del CPG simultaneamente a stimoli sottosoglia, la somministrazione di molecole come il TEA potrebbe direttamente attivare il programma locomotorio contenuto all’interno delle reti spinali.
Per comprenderne i diversi effetti, abbiamo coapplicato la 4-AP e il TEA, ed i risultati ottenuti da questo gruppo di esperimenti sembrano confermare che le due molecole utilizzano un diverso meccanismo di azione.
Il motivo per cui la 4-AP e il TEA mostrino effetti così diversi tra loro può essere attribuito alla diversa selettività nei confronti di alcune sottoclassi di canali al potassio voltaggio dipendenti.
Mentre alle basse concentrazioni usate la 4-AP può avere come bersaglio un particolare tipo di conduttanza al potassio strategicamente espressa all`interno del midollo spinale, l`alta concentrazione di TEA può, al contrario, agire su un ampio spettro di canali con un`azione meno selettiva.
Un’altra interessante possibilità potrebbe essere quella che tali molecole si rivolgano a gruppi funzionalmente distinti di interneuroni spinali. Secondo il modello di CPG recentemente proposto da Lafreniere-Roula e McCrea (2005) é possibile ipotizzare che vi siano agenti farmacologici rivolti verso gli interneuroni del CPG responsabili dell`inizio della locomozione, ed altre sostanze che abbiano invece come bersaglio quel gruppo di interneuroni che assicura la trasmissione della frequenza del ritmo ai motoneuroni e la reciproca inibizione tra unità motorie antagoniste.
In futuro, la terapia farmacologica di sostegno alle tecniche neuroriabilitative potrebbe consistere di due diverse strategie farmacologiche opportunamente selezionate a seconda del tipo e grado di lesione affrontata. Laddove il danno si presenti incompleto, farmaci come la 4-AP potrebbero massimizzare il potenziale residuo delle fibre risparmiate dal trauma, negli scenari di lesione più grave, invece, molecole come il TEA, garantirebbero l`attivazione del CPG anche in assenza di contributi dalle vie discendenti.
NOTE
Barbeau H, McCrea DA, O’Donovan MJ, Rossignol S, Grill WM, Lemay MA. Tapping into spinal circuits to restore motor function. Brain Res Brain Res Rev. 1999;30(1):27-51.
Darlington C. Fampridine Acorda Therapeutics. Curr Opin Investig Drugs. 2000;1(3):375-9.
Edgerton VR, Tillakaratne NJ, Bigbee AJ, de Leon RD, Roy RR. Plasticity of the spinal neural circuitry after injury. Annu Rev Neurosci. 2004;27:145-67.
Lafreniere-Roula M, McCrea DA. Deletions of rhythmic motoneuron activity during fictive locomotion and scratch provide clues to the organization of the mammalian central pattern generator. J Neurophysiol. 2005;94(2):1120-32.
pubblicato sul n.7 El Cochecito febbraio 2006