Arricchimento ambientale nei modelli animali

In parallelo agli studi di Hubel e Wiesel, Mark R. Rosenzweig e collaboratori introdussero il paradigma dell’arricchimento ambientale quale protocollo sperimentale specificamente dedicato allo studio dell’influenza dell’ambiente sul cervello. Questi autori dimostrarono che la morfologia, la chimica e la fisiologia del sistema nervoso possono essere alterate in modo marcato incrementando la qualità e la quantità degli stimoli esterni. L’arricchimento ambientale è definito come la combinazione di una complessa stimolazione inanimata e sociale. Gli animali in questo contesto sono allevati in gruppi numerosi all’interno di gabbie di grandi dimensioni dove sono presenti oggetti di varia natura (giochi, tunnel, scale, tane) cambiati di frequente per posizione e tipologia; essi hanno l’opportunità di svolgere un’intensa attività fisica volontaria mediante le ruote di movimento. Se confrontato con l’ambiente definito standard (una gabbia piccola con solo cibo, acqua e lettiera) l’arricchimento fornisce condizioni ottimali per l’esplorazione, l’attività cognitiva, l’interazione sociale, l’esercizio fisico, il gioco (Sale, 2010). A differenza della

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deprivazione monoculare questo trattamento non è invasivo ed agisce a tutte le età analizzate, non solo nel periodo critico dello sviluppo precoce (Rosenzweig e Bennet, 1996). Storicamente gli effetti dell’arricchimento ambientale nei ratti furono descritti prima a livello anatomico: si osservarono marcati incrementi nello spessore e nel peso della corteccia, nelle dimensioni dei corpi cellulari e del nucleo, nella lunghezza delle spine dendritiche e nella densità sinaptica. Più di recente, gli studi hanno messo in luce che la vita in un ambiente arricchito stimola la neurogenesi ippocampale e riduce l’apoptosi, anche in modelli animali di epilessia. Benché tali effetti si osservino primariamente nella corteccia e nell’ippocampo, un’aumentata sinaptogenesi è stata riportata anche nello striato, nel talamo e nel cervelletto. Inoltre si è riscontrato un incremento dell’angiogenesi cerebrale che aumenta la disponibilità di glucosio in diversi distretti. A livello comportamentale l’arricchimento ambientale negli animali potenzia le prestazioni in compiti che coinvolgono le funzioni cognitive superiori, come l’apprendimento e la memoria soprattutto spaziale e di riconoscimento di oggetti e nel test di condizionamento classico alla paura [ideato da Le Doux nel 1994 per studiare le basi neurali della memoria emozionale mediata dall’amigdala. Il ratto viene addestrato a udire un suono, che successivamente viene riproposto seguito da una scarica elettrica; dopo ripetute prove cresce la pressione sanguigna, aumenta il battito cardiaco e il ratto si immobilizza a lungo come se fosse spaventato (freezing). Le stesse reazioni sono scatenate quando viene presentato solo il suono (Igor Vitale, .2014).]. Questi effetti correlano con un incremento dell’ampiezza del potenziamento a lungo termine dei potenziali di campo eccitatori ippocampali. Maggiore incertezza esiste sulle conseguenze dell’arricchimento ambientale nei circuiti responsabili della regolazione dello stress (gli studi sui roditori hanno riportato risultati contrastanti). La visione prevalente è quella della sua azione ansiolitica come evidenziato nei topi balb/c, ceppo patologicamente ansioso (Sale, 2010).

Nello studio di Renata Bartesaghi e collaboratori (2011) finalizzato a capire se è possibile migliorare le anomalie del neurosviluppo nella Sindrome di Down sono stati tentati approcci terapeutici nei modelli murini di questa disabilità, il meglio caratterizzato tra i quali è il Ts65Dn costituito da una parziale trisomia 16 i cui geni sono ortologhi con il cromosoma 21 umano. Per il recupero dello sviluppo cerebrale un intervento prenatale è il più razionale ma si può sfruttare anche il periodo subito dopo la nascita durante il quale la neurogenesi continua nel giro dentato e nel cervelletto e addirittura l’età adulta perché, soprattutto nel giro dentato, sebbene più lentamente, la crescita neuronale prosegue per tutta la vita. La terapia cronica con fluoxetina, antidepressivo inibitore del reuptake della

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serotonina, ha dimostrato incrementare la neurogenesi nel giro dentato di topi Ts65Dn adulti e in aggiunta anche nella zona subventricolare in neonati dello stesso ceppo. Il BDNF gioca un ruolo nella proliferazione ippocampale e il trattamento con fluoxetina ne aumenta l’espressione. Inoltre questo farmaco recupera la maturazione dendritica nei topi Ts65Dn. Il litio ha dimostrato gli stessi effetti del precedente nella zona subventricolare ma solo negli adulti del modello Ts65Dn, mostrandosi letale nei neonati (Bartesaghi, 2011). Recentemente è stato evidenziato che un trattamento cronico con P7C3 (aminopropilcarbazolo) in topi adulti Ts65Dn è in grado di recuperare la neurogenesi ippocampale mentre non ha alcun effetto nei controlli euploidi, diversamente dai farmaci citati sopra che agiscono positivamente su entrambi i ceppi murini. P7C3 era già conosciuto per la capacità di prevenire il declino cognitivo in modelli di ratti e roditori adulti con malattie neurodegenerative, danno cerebrale e depressione (Sarah E.Latchney et al. , 2015).

Dierssen e collaboratori (2003) hanno esposto ad ambiente arricchito i topi Ts65Dn ad età avanzata e gli euploidi: solo in questi ultimi si è riscontrato un aumento nella lunghezza dei dendriti e della densità delle loro spine; nessun effetto si è verificato nei Ts65Dn a indicare che un’aumentata stimolazione socio-sensoriale negli umani con trisomia 21 può avere solo un impatto limitato nel modificare le strutture di base della disabilità nonostante migliori gli aspetti comportamentali e cognitivi. L’esposizione ad ambiente arricchito di ceppi Ts65Dn dopo lo svezzamento per 7 settimane ha modificato i comportamenti e la memoria spaziale come negli euploidi. Tuttavia gli effetti nei modelli di trisomia 16 erano sesso specifici, infatti le femmine miglioravano le loro performance mentre i maschi peggioravano indicando che il genere influenza l’effetto degli interventi sul comportamento (Bartesaghi, 2011).

Bartoletti e collaboratori (2004) hanno dimostrato che l’arricchimento ambientale precoce influenza lo sviluppo del sistema visivo attraverso lo studio di ratti allevati al buio, in cui la deprivazione monoculare non è efficace se vengono arricchiti, così come è favorito lo sviluppo della acuità visiva. Quindi anche in contesti di assenza di luce l’arricchimento ambientale permette una normale chiusura del periodo critico.

Il modello murino Ts65Dn ricapitola i più importanti aspetti della sindrome di Down includendo la compromissione cognitiva e i difetti anatomici e funzionali a livello del sistema visivo. Gli studi indicano che i deficit cognitivi di questi topi sono principalmente associati a eccessivi livelli di inibizione nel lobo temporale con un’insufficienza della plasticità sinaptica a lungo termine dell’ippocampo. La somministrazione degli antagonisti

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non competitivi dei recettori GABAA può recuperare le disabilità nell’apprendimento spaziale e i deficit dell’LTP in topi Ts65Dn (Begenisic et al. , 2011). L’arricchimento ambientale ha effetti benefici nei modelli animali di disturbi del sistema nervoso tra cui malattie neurodegenerative come la Malattia di Alzheimer e di Parkinson, la Corea di Huntington o di disturbi del sistema nervoso centrale quali la Sindrome di Rett, di x fragile e la schizofrenia. Inoltre, ratti arricchiti presentano un generale miglioramento dei deficit cognitivi e motori causati da un infarto cerebrale o lesione del midollo spinale (A. Sale. , 2010). È stato dimostrato che l’esposizione ad ambiente arricchito nei Ts65Dn migliora le loro abilità di memoria e a livello molecolare recupera i sistemi di trasduzione del segnale associato a proteina. Una combinazione di esercizio fisico e ambiente arricchito promuove la proliferazione cellulare e in particolare quella neurale e gliale nell’ippocampo e nella zona subventricolare del prosencefalo. Usando il sistema visivo come paradigma di studio della plasticità cerebrale è stato dimostrato che l’arricchimento ambientale può ridurre l’inibizione corticale e quindi risultare adeguato per il trattamento di patologie caratterizzate da variazioni del tono gabaergico. Nella sindrome di Down è compromesso il bilancio tra sistemi eccitatori e inibitori. Tatjana Begenisic e collaboratori (2011) hanno dimostrato che l’arricchimento ambientale sui Ts65Dn riduce il rilascio di GABA nell’ippocampo e nella corteccia visiva e favorisce l’apprendimento spaziale, l’LTP ippocampale e l’acuità visiva. La memoria spaziale è stata valutata con il labirinto acquatico di Morris in cui gli animali devono localizzare una piattaforma nascosta sotto la superficie: quelli non arricchiti impiegano più tempo in questo compito; successivamente la piattaforma viene rimossa e i topi devono ricercare il quadrante in cui era originariamente posizionata: solo gli arricchiti ricordano la localizzazione precedente. La plasticità sinaptica ippocampale è stata studiata registrando l’LTP in risposta ad una stimolazione ad alta frequenza nel giro dentato che è il circuito più coinvolto da eccessivi livelli di inibizione. L’arricchimento ambientale recupera la plasticità in tali distretti. Le funzioni visive sono state valutate tramite la registrazione dei potenziali evocati dalla corteccia visiva nella sua porzione binoculare; inoltre è stata analizzata la proprietà di dominanza oculare calcolando il rapporto C/I (controlaterale e ipsilaterale) dei potenziali come indice di binocularità. Di solito questo è tra 2 e 3 in topi adulti normali riflettendo la predominanza delle fibre crociate nelle proiezioni retiniche. Nei topi non trattati il rapporto si riduce e aumenta la latenza dei potenziali visivi; l’arricchimento recupera questo deficit. Usando un modello biochimico di rilascio di GABA dai sinaptosomi nella corteccia visiva e in ippocampo è stato riscontrato l’effetto positivo dell’ambiente arricchito nel ridurre i

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livelli di questo neurotrasmettitore. I farmaci antagonisti del recettore GABAA hanno dimostrato nel topoTs65dn di migliorare le funzioni cognitive ma non sono stati approvati per l’uso clinico nelle persone con sindrome di Down, dati gli effetti proconvulsivanti; quindi l’arricchimento ambientale si propone come un’ alternativa terapeutica priva di eventi avversi (Begenisic et al. , 2011).