Ora, in uno studio pubblicato questa settimana sul Journal of Neuroscience, i ricercatori di Okinawa, Istituto di Scienze e Tecnologie Università (OIST) e Nagoya University hanno rivelato come comunemente usato anestetico generale chiamato isoflurano indebolisce la trasmissione di segnali elettrici tra i neuroni, in corrispondenza delle giunzioni chiamato sinapsi.
“Soprattutto, abbiamo trovato che isoflurano non bloccare la trasmissione di tutti i segnali elettrici ugualmente; l’anestesia ha avuto l’effetto più forte sul più elevata frequenza di impulsi che sono necessari per le funzioni di cognizione o di movimento, mentre ha avuto un effetto minimo sulla bassa frequenza impulsi che controllano la vita-funzioni di supporto, quali la respirazione,” ha detto il Professor Tomoyuki Takahashi, che porta Cellulare e Molecolare Funzione Sinaptica (CMSF) Unità di OIST. “Questo spiega come l’isoflurano sia in grado di causare anestesia, bloccando preferenzialmente i segnali ad alta frequenza.”
Alle sinapsi, i segnali vengono inviati dai neuroni presinaptici e ricevuti dai neuroni postsinaptici. Nella maggior parte delle sinapsi, la comunicazione avviene tramite messaggeri chimici neuro o neurotrasmettitori.
Quando un impulso nervoso elettrico, o potenziale d’azione, arriva alla fine del neurone presinaptico, questo fa sì che le vescicole sinaptiche-minuscoli “pacchetti” di membrana che contengono neurotrasmettitori-si fondano con la membrana terminale, rilasciando i neurotrasmettitori nello spazio tra i neuroni. Quando abbastanza neurotrasmettitori sono percepiti dal neurone postsinaptico, questo innesca un nuovo potenziale d’azione nel neurone post-sinaptico.
L’unità CMSF ha utilizzato fette di cervello di ratto per studiare una sinapsi gigante chiamata calice di Held. Gli scienziati hanno indotto segnali elettrici a frequenze diverse e quindi rilevato i potenziali d’azione generati nel neurone postsinaptico. Hanno scoperto che aumentando la frequenza dei segnali elettrici, l’isoflurano ha avuto un effetto più forte sul blocco della trasmissione.
Per corroborare i risultati della sua unità, Takahashi ha contattato il Dr. Takayuki Yamashita, un ricercatore dell’Università di Nagoya che ha condotto esperimenti sulle sinapsi, chiamate sinapsi cortico-corticali, nel cervello dei topi viventi.
Yamashita ha scoperto che l’anestetico ha colpito le sinapsi cortico-corticali in modo simile al calice di Held. Quando i topi sono stati anestetizzati usando isoflurano, la trasmissione ad alta frequenza è stata fortemente ridotta mentre c’era meno effetto sulla trasmissione a bassa frequenza.
“Questi esperimenti hanno entrambi confermato come l’isoflurano agisce come anestetico generale”, ha detto Takahashi. “Ma volevamo capire quali meccanismi sottostanti isoflurano obiettivi per indebolire le sinapsi in questo modo dipendente dalla frequenza.”
Rintracciare gli obiettivi
Con ulteriori ricerche, i ricercatori hanno scoperto che l’isoflurano ha ridotto la quantità di neurotrasmettitore rilasciato, sia abbassando la probabilità che le vescicole vengano rilasciate sia riducendo il numero massimo di vescicole in grado di essere rilasciate alla volta.
Gli scienziati hanno quindi esaminato se l’isoflurano ha influenzato i canali ionici del calcio, che sono fondamentali nel processo di rilascio delle vescicole. Quando i potenziali di azione arrivano al terminale presinaptico, i canali ionici del calcio nella membrana si aprono, permettendo agli ioni del calcio di inondare dentro. Le vescicole sinaptiche rilevano quindi questo aumento di calcio e si fondono con la membrana. I ricercatori hanno scoperto che l’isoflurano abbassava l’afflusso di calcio bloccando i canali ionici del calcio, il che a sua volta riduceva la probabilità di rilascio di vescicole.
“Tuttavia, questo meccanismo da solo non potrebbe spiegare come l’isoflurano riduca il numero di vescicole rilasciabili o la natura dipendente dalla frequenza dell’effetto dell’isoflurano”, ha detto Takahashi.
Gli scienziati hanno ipotizzato che l’isoflurano potrebbe ridurre il numero di vescicole rilasciabili bloccando direttamente il processo di rilascio delle vescicole per esocitosi, o bloccando indirettamente il riciclaggio delle vescicole, dove le vescicole vengono riformate dall’endocitosi e quindi riempite con neurotrasmettitore, pronto per essere rilasciato di nuovo.
Misurando elettricamente i cambiamenti nella superficie della membrana terminale presinaptica, che è aumentata dall’esocitosi e diminuita dall’endocitosi, gli scienziati hanno concluso che l’isoflurano ha influenzato solo il rilascio di vescicole per esocitosi, probabilmente bloccando le macchine esocitiche.
“Fondamentalmente, abbiamo scoperto che questo blocco ha avuto solo un effetto importante sui segnali ad alta frequenza, suggerendo che questo blocco sui macchinari esocitari è la chiave per l’effetto anestetizzante dell’isoflurano”, ha detto Takahashi.
Gli scienziati hanno proposto che i potenziali d’azione ad alta frequenza innescano un afflusso così massiccio di calcio nel terminale presinaptico che l’isoflurano non può ridurre efficacemente la concentrazione di calcio. La forza sinaptica è quindi indebolita prevalentemente dal blocco diretto del macchinario esocitico piuttosto che da una ridotta probabilità di rilascio delle vescicole.
Nel frattempo, gli impulsi a bassa frequenza innescano meno esocitosi, quindi il blocco di isoflurano sul macchinario esocitico ha scarso effetto. Sebbene l’isoflurano riduca efficacemente l’entrata di calcio nel terminale presinaptico, abbassando la probabilità di rilascio della vescicola, da sè, non è abbastanza potente bloccare i potenziali di azione postsinaptici al calice di tenuto ed ha soltanto un effetto secondario nelle sinapsi cortico-corticali. La trasmissione a bassa frequenza è quindi mantenuta.
Nel complesso, la serie di esperimenti fornisce prove convincenti su come l’isoflurano indebolisca le sinapsi per indurre l’anestesia.
“Ora che abbiamo stabilito tecniche di manipolazione e decifrazione dei meccanismi presinaptici, siamo pronti ad applicare queste tecniche a domande più difficili, come i meccanismi presinaptici alla base dei sintomi delle malattie neurodegenerative”, ha detto Takahashi. “Questa sarà la nostra prossima sfida.”