Come il cervello elabora le informazioni sensoriali provenienti dagli organi interni

La maggior parte di noi pensa poco al motivo per cui ci sentiamo piacevolmente pieni dopo aver mangiato un pasto festivo, al motivo per cui iniziamo a tossire dopo aver inalato accidentalmente il fumo di un falò o al motivo per cui siamo colpiti da una nausea improvvisa dopo aver ingerito qualcosa di tossico. Tuttavia, queste sensazioni sono fondamentali per la sopravvivenza: ci dicono di cosa ha bisogno il nostro corpo in un determinato momento, in modo da poter adattare rapidamente il nostro comportamento.

Eppure, storicamente, pochissime ricerche sono state dedicate alla comprensione di queste sensazioni corporee di base – note anche come sensi interni – che vengono generate quando il cervello riceve e interpreta gli input provenienti dagli organi interni.

Ora, un team guidato da ricercatori della Harvard Medical School ha fatto nuovi passi avanti nella comprensione della biologia di base del rilevamento degli organi interni, che comporta una complicata cascata di comunicazioni tra le cellule del corpo.

In uno studio condotto sui topi e pubblicato il 31 agosto su Nature , il team ha utilizzato immagini ad alta risoluzione per rivelare le mappe spaziali di come i neuroni del tronco cerebrale rispondono al feedback degli organi interni.

Hanno scoperto che il feedback proveniente da organi diversi attiva gruppi discreti di neuroni, indipendentemente dal fatto che l’informazione sia di natura meccanica o chimica, e questi gruppi di neuroni che rappresentano i diversi organi sono organizzati topograficamente nel tronco cerebrale. Inoltre, hanno scoperto che l’inibizione all’interno del cervello svolge un ruolo chiave nell’aiutare i neuroni a rispondere selettivamente agli organi.

“Il nostro studio rivela i principi fondamentali di come i diversi organi interni sono rappresentati nel tronco cerebrale”, ha dichiarato l’autore principale Chen Ran, ricercatore in biologia cellulare presso l’HMS.

La ricerca è solo un primo passo per chiarire come gli organi interni comunicano con il cervello. Tuttavia, se i risultati saranno confermati in altre specie, compresi gli esseri umani, potrebbero aiutare gli scienziati a sviluppare migliori strategie terapeutiche per malattie come i disturbi alimentari, la vescica iperattiva, il diabete, i disturbi polmonari e l’ipertensione, che insorgono quando i sensori interni non funzionano correttamente.

“Credo che capire come gli input sensoriali vengano codificati dal cervello sia uno dei grandi misteri del suo funzionamento”, ha dichiarato l’autore senior Stephen Liberles, professore di biologia cellulare presso il Blavatnik Institute dell’HMS e ricercatore dell’Howard Hughes Medical Institute. “Questo ci permette di capire come funziona il cervello per generare percezioni ed evocare comportamenti”.

Poco studiati e poco compresi

Per quasi un secolo, gli scienziati hanno studiato come il cervello elabora le informazioni esterne per formare i sensi fondamentali della vista, dell’olfatto, dell’udito, del gusto e del tatto che usiamo per navigare nel mondo. Nel corso del tempo, hanno raccolto le loro scoperte per mostrare come le varie aree sensoriali del cervello siano organizzate per rappresentare stimoli diversi.

A metà del 1900, ad esempio, le ricerche sul tatto portarono gli scienziati a sviluppare l’homunculus corticale per il sistema somatosensoriale: un’illustrazione che raffigura parti del corpo in forma di fumetto drappeggiate sulla superficie del cervello, ciascuna parte posizionata in modo da allinearsi con la posizione in cui viene elaborata e disegnata in scala in base alla sensibilità. Nel 1981, i professori di Harvard David Hubel e Torsten Wiesel hanno vinto il premio Nobel per le loro ricerche sulla visione, in cui hanno mappato metodicamente la corteccia visiva del cervello registrando l’attività elettrica dei singoli neuroni che rispondevano agli stimoli visivi. Nel 2004, un’altra coppia di scienziati ha vinto il premio Nobel per i loro studi sul sistema olfattivo, in cui hanno identificato centinaia di recettori olfattivi e hanno rivelato con precisione come gli input degli odori sono organizzati nel naso e nel cervello.

Finora, tuttavia, il processo con cui il cervello percepisce e organizza il feedback degli organi interni per regolare le funzioni fisiologiche di base come la fame, la sazietà, la sete, la nausea, il dolore, la respirazione, la frequenza cardiaca e la pressione sanguigna è rimasto misterioso.

“Il modo in cui il cervello riceve gli input dall’interno del corpo e come li elabora è stato ampiamente sottovalutato e poco compreso”, ha detto Liberles.

Forse perché il rilevamento interno è più complicato di quello esterno, ha aggiunto Ran. I sensi esterni, ha spiegato, tendono a ricevere informazioni in un unico formato. La vista, per esempio, si basa interamente sul rilevamento della luce.

Al contrario, gli organi interni trasmettono informazioni attraverso forze meccaniche, ormoni, nutrienti, tossine, temperatura e altro ancora, ognuno dei quali può agire su più organi e tradursi in molteplici risposte fisiologiche. Lo stiramento meccanico, ad esempio, segnala il bisogno di urinare quando si verifica nella vescica, ma si traduce in sazietà quando si verifica nello stomaco e innesca un riflesso per fermare l’inspirazione nei polmoni.

Una costellazione di neuroni

Nel loro nuovo studio, Liberles, Ran e colleghi si sono concentrati su una regione del tronco cerebrale chiamata nucleo del tratto solitario, o NTS.

Il NTS è noto per ricevere informazioni sensoriali dagli organi interni attraverso il nervo vago. Trasmette queste informazioni alle regioni cerebrali di ordine superiore che regolano le risposte fisiologiche e generano i comportamenti. In questo modo, l’NTS funge da porta d’accesso sensoriale interna per il cervello.

I ricercatori hanno utilizzato una tecnica potente chiamata imaging del calcio a due fotoni che misura i livelli di calcio nei singoli neuroni del cervello come proxy dell’attività neuronale.

Il team ha applicato questa tecnica a topi esposti a diversi tipi di stimoli interni all’organo e ha usato un microscopio per registrare simultaneamente le risposte di migliaia di neuroni nell’NTS nel tempo. I video risultanti mostrano i neuroni che si accendono in tutto l’NTS, come le stelle che si accendono e si spengono nel cielo notturno.

Le tecniche di imaging tradizionali, che prevedono l’inserimento di un elettrodo per registrare un piccolo gruppo di neuroni in un singolo momento, “sono come vedere solo un paio di pixel di un’immagine alla volta”, ha detto Ran. “La nostra tecnica è come vedere tutti i pixel in una volta sola, per rivelare l’intera immagine ad alta risoluzione”.

L’équipe ha scoperto che gli stimoli in organi interni diversi – per esempio, lo stomaco rispetto alla laringe – in genere attivavano gruppi diversi di neuroni nella NTS. Al contrario, i ricercatori hanno identificato diversi casi in cui stimoli meccanici e chimici nello stesso organo che spesso evocano la stessa risposta fisiologica (come la tosse o la sazietà) attivavano neuroni sovrapposti nel tronco encefalico. Questi risultati suggeriscono che gruppi specifici di neuroni possono essere dedicati alla rappresentazione di particolari organi.

Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che le risposte nell’NTS erano organizzate come una mappa spaziale, che hanno soprannominato “homunculus viscerale” in riferimento all’analogo homunculus corticale sviluppato decenni fa.

Infine, gli scienziati hanno stabilito che la segnalazione dagli organi interni al tronco encefalico richiede l’inibizione dei neuroni. Quando hanno utilizzato farmaci per bloccare l’inibizione, i neuroni del tronco cerebrale hanno iniziato a rispondere a più organi, perdendo la loro precedente selettività.

Questo lavoro pone le basi per “studiare sistematicamente la codifica dei sensi interni in tutto il cervello”, ha detto Ran.

Una base per il futuro

I risultati sollevano molte nuove domande, alcune delle quali il team dell’HMS vorrebbe affrontare.

Ran è interessato a studiare come il tronco cerebrale trasmette le informazioni sensoriali interne alle regioni cerebrali di ordine superiore che producono le sensazioni risultanti, come la fame, il dolore o la sete.

Liberles vuole esplorare il funzionamento del sistema sensoriale interno a livello molecolare. In particolare, vorrebbe identificare i recettori sensoriali primari che rilevano gli stimoli meccanici e chimici all’interno degli organi.

Un’altra area di ricerca futura riguarda il modo in cui il sistema si configura durante lo sviluppo embrionale. Le nuove scoperte, ha detto Liberles, suggeriscono che l’analisi del solo tipo di neurone non è sufficiente; i ricercatori devono anche considerare la posizione dei neuroni nel cervello.

“Dobbiamo studiare l’interazione tra i tipi di neuroni e la loro posizione per capire come sono cablati i circuiti e cosa fanno i diversi tipi di cellule nel contesto dei diversi circuiti”, ha detto Liberles.

Liberles è anche interessato alla generalizzabilità dei risultati ad altri animali, compresi gli esseri umani. Sebbene molte vie sensoriali siano conservate tra le specie, ha osservato, esistono anche importanti differenze evolutive. Per esempio, alcuni animali non mostrano comportamenti di base come la tosse o il vomito.

Se confermati nell’uomo, i risultati della ricerca potrebbero essere utili per lo sviluppo di trattamenti migliori per le malattie che insorgono quando il sistema sensoriale interno non funziona correttamente.

“Spesso queste malattie si verificano perché il cervello riceve un feedback anomalo dagli organi interni”, ha detto Ran. “Se abbiamo una buona idea di come questi segnali sono codificati in modo differenziato nel cervello, un giorno potremmo essere in grado di capire come dirottare questo sistema e ripristinare la normale funzione”.

Tra gli altri autori figurano Jack Boettcher, Judith Kaye e Catherine Gallori dell’HMS.

Il lavoro è stato sostenuto dal National Institutes of Health (sovvenzioni DP1AT009497; R01DK122976; R01DK103703), dalla Food Allergy Science Initiative, da una borsa di studio post-dottorato di Leonard e Isabelle Goldenson, dalla Harvard Brain Science Initiative e dall’American Diabetes Association.