L’importanza della serotonina nella neurogenesi adulta indotta dall’esercizio fisico: Nuove prove da topi Tph2-/-

Il neurotrasmettitore serotonina (5-HT) è un modulatore ben stabilito di neurogenesi adulta. Nell’ultimo decennio, diverse linee di ricerca che coinvolgono l’aumento farmacologico dei livelli di 5-HT, la deplezione dei neuroni serotoninergici e l’attivazione diretta dei recettori 5-HT hanno dimostrato in modo coerente che la 5-HT può aumentare la produzione di nuovi neuroni in importanti nicchie neurogeniche del cervello, tra cui il giro dentato (DG) dell’ippocampo (Doze e Perez, 2012). Si ritiene che questo effetto della 5-HT abbia anche un importante significato funzionale. La maggior parte dei farmaci antidepressivi ha come bersaglio i sistemi monoaminergici che aumentano la neurogenesi ippocampale, e livelli ridotti di neurogenesi sono comuni tra i pazienti affetti da disturbo depressivo maggiore (MDD) (Dranovsky e Hen, 2006).

L’esercizio fisico è un altro importante stimolo neurogenico, che ha dimostrato di avere effetti positivi sull’umore, l’apprendimento e la memoria negli esseri umani, sia giovani che anziani, così come nei roditori. Attualmente c’è grande interesse per questi effetti e le loro possibili implicazioni per la prevenzione e la gestione della malattia di Alzheimer e patologie simili (van Praag, 2009; Hötting e Röder, 2013). La letteratura sull’esercizio fisico nei topi è vasta e comprende numerosi protocolli diversi, tra i quali la corsa volontaria su ruota è uno dei più utilizzati. Questo compito è stato collegato all’aumento della neurogenesi nella DG, così come al miglioramento delle prestazioni nell’apprendimento spaziale e nei paradigmi di consolidamento della memoria contestuale (van Praag, 2009).

Oltre alla neurogenesi, altre alterazioni possono essere osservate nel SNC in risposta all’esercizio fisico. La sinaptogenesi e l’angiogenesi sono indotte, probabilmente come risultato di una maggiore produzione e rilascio di fattore neurotrofico derivato dal cervello (BDNF) e fattore di crescita insulino-simile-1 (IGF-1). Più in particolare, tuttavia, la disponibilità di neurotrasmettitori è anche modulata dall’esercizio. I livelli basali di monoammine come la 5-HT e la noradrenalina aumentano nel cervello dei roditori che praticano la corsa a rotelle (Lista e Sorrentino, 2010). Alla luce dei numerosi collegamenti descritti nella letteratura recente, la 5-HT è considerata una delle molecole candidate a mettere in relazione diretta l’esercizio fisico con la neurogenesi. Tuttavia, fino a poco tempo fa, la questione se l’effetto neurogenico della corsa dipenda dalla produzione di 5-HT è rimasta senza risposta. In un articolo pubblicato su The Journal of Neuroscience, Klempin et al. (2013) hanno cercato di rispondere a questa domanda utilizzando topi privi di triptofano idrossilasi di tipo 2 (Tph2-/-), l’enzima che limita la produzione di 5-HT nel SNC.

I topi Tph2-/- sono stati sviluppati nel 2008, quasi contemporaneamente da tre gruppi indipendenti, e mostrano una perdita completa di 5-HT nel cervello (Gutknecht et al, 2008; Savelieva et al., 2008; Alenina et al., 2009). Nonostante la carenza del neurotrasmettitore, le fibre serotoninergiche hanno dimostrato di essere morfologicamente inalterate in questi animali (Gutknecht et al., 2008). È anche degno di nota che i topi Tph2-/- nascono visivamente indistinguibili dai compagni di cucciolata di controllo, ma mostrano alterazioni nello sviluppo postnatale, tra cui una crescita più lenta, un aumento di peso più lento e cambiamenti comportamentali, come una maggiore aggressività. La morfologia del cervello è comunque normale, e gli animali Tph2-/- sono fertili (Alenina et al., 2009).

Usando il marcatore di mitosi in fase S Bromodeossiuridina (5-bromo-2′-deossiuridina, BrdU) Klempin et al. hanno inizialmente dimostrato che i topi Tph2-/- non avevano cambiamenti significativi nel numero totale di cellule proliferanti nella DG dell’ippocampo, rispetto agli animali wild-type. Questo risultato è inaspettato, perché diversi autori hanno dimostrato che le lesioni parziali ai nuclei del rafe, e la conseguente riduzione dei neuroni serotoninergici, provocano una diminuzione della neurogenesi ippocampale (Doze e Perez, 2012). Klempin et al. (2013) concludono che i cambiamenti compensatori che avvengono durante lo sviluppo di questi animali knock-out sono probabilmente coinvolti, bilanciando gli effetti della mancanza di 5-HT nella neurogenesi normale. Tuttavia, quando ai topi Tph2-/- e ai loro compagni di cucciolata wild-type è stato permesso di impegnarsi nella corsa volontaria su ruote, è emersa una differenza interessante. Come previsto, dopo un periodo di 6 d con accesso illimitato a una ruota in esecuzione, i topi wild-type hanno mostrato un robusto aumento della neurogenesi rispetto ai controlli sedentari. Tph2-/- topi, al contrario, non ha mostrato alcun aumento significativo esercizio-indotto in neurogenesi. Come sostenuto dagli autori, questa osservazione suggerisce un ruolo cruciale della 5-HT nella neurogenesi indotta dall’esercizio, perché nessun altro meccanismo ha compensato la sua assenza durante il periodo di corsa.

In aggiunta al chiaro deficit serotoninergico, Gutknecht et al. (2012) hanno recentemente dimostrato che i topi Tph2-/- hanno notevoli riduzioni dei livelli di noradrenalina in diverse regioni del cervello, come il raphe rostrale (riduzione del 28,3%), l’ippocampo (riduzione del 38,6%) e il locus coeruleus (riduzione del 33,8%). Questa osservazione potrebbe essere rilevante per la mancanza di neurogenesi indotta dall’esercizio riportata da Klempin et al. (2013). Paralleli tra il sistema serotoninergico e noradrenergico sono ben stabiliti in letteratura, soprattutto in patologie come il MDD, dove gli inibitori della ricaptazione della 5-HT/noradrenalina (SSRI) sono comunemente usati. La cosa più importante è che la neurogenesi della DG può essere modulata positivamente dalla noradrenalina in misura simile a quella della 5-HT. I terminali noradrenergici sono abbondanti nella DG, e la loro deplezione attraverso la lesione del locus coeruleus si traduce in una significativa riduzione della neurogenesi nei roditori, paragonabile a ciò che si vede dopo la perdita di terminali serotoninergici (Dranovsky e Hen, 2006).

I livelli di dopamina sono anche significativamente ridotti nell’ippocampo dei topi Tph2-/- (71,9% riduzione) (Gutknecht et al., 2012). Relativamente pochi studi hanno indagato la partecipazione della dopamina nella neurogenesi adulta, e quelli che hanno prodotto alcuni risultati contrastanti. Tuttavia, è stato recentemente notato che questo neurotrasmettitore può essere coinvolto nel controllo della proliferazione delle cellule progenitrici nella DG (Doze e Perez, 2012) e, di conseguenza, le fluttuazioni nei livelli di dopamina ippocampale potrebbero avere un ruolo nei risultati riportati da Klempin et al. (2013).

La proliferazione e il successivo destino delle cellule progenitrici nella DG di topi wild-type e Tph2-/- con o senza accesso a una ruota da corsa è stato affrontato anche da Klempin et al. (2013). Utilizzando l’etichettatura GFAP, DCX e SOX2, gli autori hanno scoperto che c’era un numero simile di progenitori quiescenti, GFAP+ (noti come cellule di tipo 1), nella DG di tutti i gruppi testati. Tuttavia, i progenitori proliferanti, SOX2+ e DCX+ (noti come cellule di tipo 2a e 2b/3, rispettivamente) erano significativamente aumentati nei topi wild-type dopo la corsa, ma non nei compagni di cucciolata Tph2-/-. Un aumento dei livelli basali delle cellule di tipo 2a è stato notato anche negli animali Tph2-/- rispetto ai controlli wild-type. Un’ulteriore etichettatura delle cellule per la caspasi-3, un marcatore di apoptosi, ha rivelato che il numero di cellule caspase3+/SOX2+ era aumentato negli animali knock-out. Insieme, questi dati hanno portato alla conclusione che i cambiamenti duraturi nei tassi di proliferazione e apoptosi dei progenitori DG hanno luogo in assenza di 5-HT. Aumento della proliferazione dei progenitori SOX2 + sembrava mantenere la neurogenesi basale di knockout a livelli normali, e questo è stato accompagnato da un aumento del numero di cellule apoptotiche. Quando sottoposto agli effetti dell’esercizio fisico, tuttavia, il pool di cellule progenitrici apparentemente non poteva aumentare ulteriormente senza 5-HT, e i livelli di neurogenesi in Tph2-/- animali non è riuscito a salire.

In ultimo, Klempin e collaboratori riportato un grande aumento del numero di microglia attivato in entrambi gli animali wild-type e knock-out dopo l’esercizio. Questo effetto è stato trovato significativamente più grande nei topi Tph2-/-. Poiché tale aumento della microgliosi è una conseguenza nota dell’attività fisica, gli autori attribuiscono questa differenza tra i genotipi interamente all’aumento dell’apoptosi delle cellule progenitrici visto nei knockout. È importante notare, tuttavia, che la 5-HT può avere un importante effetto antinfiammatorio sulla microglia. Un recente lavoro con gli SSRI ha dimostrato che questi farmaci sono in grado di sopprimere le risposte microgliali a certi stimoli infiammatori, forse attraverso un meccanismo dipendente dalla protein kinasi A (PKA) (Tynan et al., 2012). Il maggiore aumento della microglia visto nei topi Tph2-/- potrebbe quindi essere in qualche misura legato ad una mancanza di soppressione microgliale mediata dalla 5-HT. Inoltre, i cambiamenti della proliferazione microgliale e lo stato di attivazione può anche essere strettamente legato all’attività dei progenitori DG in risposta all’esercizio, come recentemente riportato da Vukovic e collaboratori (2012). Klempin et al. (2013) fa punti interessanti e promettenti da affrontare in futuro, e il modello di topo Tph2-/- continua ad essere uno strumento prezioso per lo studio della 5-HT del cervello. Come mediatore della neurogenesi adulta indotta dall’esercizio, la 5-HT può essere un vecchio bersaglio per nuovi approcci alle patologie prevalenti del SNC, come la MDD.