L'orexina determina le dimensioni della pupilla

"L'effetto è stato così forte che abbiamo capito subito che avevamo trovato qualcosa di importante", dice Nikola Grujic, guardando indietro. Il postdoc presso il Laboratory for Neurobehavioural Dynamics dell'ETH di Zurigo aveva familiarizzato con i neuroni orexina, oggetto di ricerca del laboratorio, in una serie di esperimenti iniziali sui topi. Aveva osservato come la stimolazione delle cellule nervose portasse a una vistosa dilatazione delle pupille. "Gli effetti della stimolazione dei neuroni sono spesso nascosti nel rumore di fondo dei dati di misurazione e dobbiamo fare di tutto per filtrarli per poterli riconoscere. In questo caso è stato diverso. L'effetto era evidente", afferma.

I neuroni dell'orexina, descritti per la prima volta nel 1998, partono dall'ipotalamo per raggiungere tutte le altre regioni cerebrali, comprese quelle che controllano la coscienza e le funzioni corporee che non possono essere influenzate volontariamente. Ad esempio, i neuroni orexina sono coinvolti nella regolazione del ciclo sonno-veglia, dell'attenzione, del sistema di ricompensa, dell'appetito e del consumo di energia.

Essenziale per la normale condizione delle pupille

Come dimostrano le misurazioni di Grujic, i neuroni orexina influenzano direttamente anche una caratteristica centrale dello stato emotivo: le pupille non reagiscono solo agli stimoli luminosi cambiando di dimensione, ma anche allo stress mentale e alle impressioni emotive. Sia la medicina che la psicologia utilizzano abitualmente le dimensioni delle pupille negli esseri umani come misura dell'attenzione e di altre funzioni dell'organismo controllate inconsciamente.

Oltre alla luce, in precedenza si pensava che la norepinefrina, nota come ormone dello stress, e il suo sistema di recettori fossero i principali responsabili del controllo delle dimensioni delle pupille. Gli scienziati dell'ETH sono ora riusciti a dimostrare che questo ruolo è più probabilmente svolto dal neurotrasmettitore orexina e dal suo sistema di recettori. I neuroni della noradrenalina non possono mantenere lo stato normale della pupilla senza i neuroni dell'orexina. Se il sistema dell'orexina viene disattivato, le pupille rimangono in uno stato di costrizione. "I neuroni della noradrenalina sono di fatto gli schiavi dei neuroni dell'orexina", afferma l'ETH Denis Burdakov, riassumendo in poche parole il rapporto di dipendenza.

Collegamento con la narcolessia

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno anche dimostrato una relazione dose-dipendente tra l'attività delle cellule nervose e il diametro della pupilla. "Le pupille ci mostrano esattamente quanto sono attivi i neuroni dell'orexina nell'ipotalamo", spiega Burdakov.

Questo non solo fornisce ai ricercatori del cervello un nuovo modo di misurare l'attività dell'orexina. Apre anche nuovi approcci in campo medico. La connessione tra un disturbo della regolazione dell'orexina e la narcolessia, la malattia del sonno, è nota da tempo. Recentemente, tuttavia, sono stati osservati collegamenti anche con altre malattie neurologiche come il morbo di Alzheimer, l'ictus e la sindrome di Prader-Willi congenita. In quest'ultima, un malfunzionamento del diencefalo, che comprende l'ipotalamo, porta a gravi sintomi fisici, cognitivi e metabolici.

Tutte e quattro le malattie hanno in comune la presenza di un disturbo del sonno. Analizzando le dimensioni delle pupille, l'influenza dell'orexina su queste malattie potrebbe essere studiata più in dettaglio in futuro e forse anche semplificare e migliorare la diagnosi, afferma Burdakov. Oggi, per diagnosticare la narcolessia è ancora necessaria una procedura chirurgica sotto forma di puntura del canale spinale.

Una porta d'accesso alla comprensione della regolazione della coscienza

Come neuroscienziato, Grujic vede la sua scoperta soprattutto come la chiave per una migliore comprensione della regolazione delle funzioni centrali della nostra coscienza. "L'equilibrio tra la concentrazione attenta su cose familiari e il vagare esplorativo dei pensieri è fondamentale per la nostra capacità di adattarci a nuove situazioni", spiega il ricercatore. La frequenza e la varietà dei disturbi dell'attenzione diagnosticati oggi dimostrano quanto sia difficile controllare questo equilibrio.

L'orexina è uno dei diversi sistemi neuromodulatori (gli altri sono la noradrenalina e la serotonina) che controllano questo equilibrio. Questi sistemi spostano l'equilibrio in una direzione o nell'altra a seconda delle esigenze dell'organismo. Nei primi tempi dello sviluppo umano, ad esempio, i cacciatori-raccoglitori affamati dovevano lasciare vagare l'attenzione per scoprire una fonte di cibo. Una volta trovata una ricompensa sotto forma di qualcosa di commestibile, dovevano concentrarsi sull'ambiente circostante per poter individuare ancora più cibo. E una volta che i primi esseri umani erano finalmente sazi, erano in grado di concentrare il loro istinto esplorativo su bisogni diversi dal cibo.

Sottogruppi di neuroni per funzioni specifiche

Il gruppo di ricerca di Burdakov è riuscito a identificare i sottogruppi di neuroni dell'orexina coinvolti in diverse funzioni neurali e quindi in diverse componenti di questo equilibrio. A tal fine, gli scienziati hanno utilizzato una speciale forma di microscopia a fluorescenza per tracciare la reazione dei singoli neuroni orexina nei topi e confrontarla con la variazione dell'ampiezza della pupilla. Utilizzando la cosiddetta microscopia a due fotoni, è possibile osservare le attività delle singole cellule all'interno del cervello.

Tra le altre cose, i ricercatori hanno trovato neuroni la cui attività era correlata positivamente con le dimensioni della pupilla e quindi con lo stato di eccitazione del topo, e quelli la cui attività era correlata negativamente. Inoltre, c'erano cellule che influenzavano sia la dimensione della pupilla sia la risposta alla ricompensa, mentre altre erano legate solo a uno dei due fattori.

Controllo di livello superiore della nostra coscienza

L'identificazione di sottogruppi specializzati all'interno dei neuroni orexina fornisce una prima visione del modo in cui queste funzioni centrali per la nostra coscienza sono cablate nel cervello. L'orexina, con la sua influenza su molti stati comportamentali diversi - dall'attenzione e dal sonno-veglia alla ricompensa, all'appetito e al dispendio energetico - è anche un buon candidato per il loro controllo di livello superiore, dice Grujic.

I risultati ottenuti dagli scienziati dell'ETH hanno aperto la porta a molte altre domande di ricerca, come l'identificazione di ulteriori sottogruppi di neuroni o la loro interazione reciproca e con i sistemi della serotonina e della noradrenalina. I ricercatori ritengono che le risposte a queste domande non solo porteranno a una comprensione molto più dettagliata di come vengono controllate le nostre funzioni vitali. Di conseguenza, anche la diagnosi e il trattamento dei disturbi dell'attenzione e del sonno e delle malattie ad essi associate dovrebbero trarne beneficio. E, come suggeriscono gli esempi dell'Alzheimer e dell'ictus, sono più di quanto si possa pensare a prima vista.