Nuova luce sulla codifica degli odori a livello cerebrale / New light on the coding of odors in the brain
Nuova luce sulla codifica degli odori a livello cerebrale / New light on the coding of odors in the brain
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Il ruolo del fattore PEBP1 nella formazione della mappa topografica olfattiva a livello del bulbo cerebrale. In topi geneticamente modificati per non produrre PEBP1, la mappa topografica risulta alterata / The role of the PEBP1 factor in the formation of the olfactory topographical map at the level of the brain bulb. In genetically modified mice to not produce PEBP1, the topographic map is altered
© Cnr-In
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L'Istituto di neuroscienze del Consiglio nazionale delle ricerche ha chiarito il meccanismo molecolare della percezione degli odori, oggetto di oltre vent’anni di ricerche nell’ambito della medicina molecolare, basato sulla formazione di mappe sensoriali cerebrali, definite da una precisa disposizione spaziale dei neuroni olfattivi guidata dal recettore dell’odore. Rilevanti per la ricerca su Parkinson e Alzheimer, i risultati sono pubblicati su "Cell Reports"
Passo in avanti verso la comprensione dei processi responsabili della codifica degli odori a livello cerebrale. Il gruppo di Claudia Lodovichi, primo ricercatore dell’Istituto di neuroscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-In) di Padova ha coordinato uno studio pubblicato su "Cell Reports" (https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.11.099) che dimostra il meccanismo molecolare di formazione delle mappe topografiche cerebrali, dove i neuroni responsabili della percezione di un dato odore sono raggruppati in specifiche aree del bulbo olfattivo, la zona del cervello che elabora gli stimoli captati nel tessuto delle cavità nasali (epitelio olfattivo) attraverso i recettori olfattivi, proteine prodotte dagli stessi neuroni olfattivi che legano uno specifico odorante ‘intrappolato’ nel muco nasale.
“Mentre i neuroni coinvolti nella vista e nell’udito sono disposti già a livello della retina e della coclea secondo un ordine che si proietta all’interno del cervello con la formazione di ‘mappe topografiche’ dove i vari stimoli visivi e uditivi attivano aree diverse”, spiega Lodovichi. “I neuroni sensoriali olfattivi esprimono lo stesso recettore, specifico per un range di odori, e sono localizzati senza un particolare ordine nell’epitelio olfattivo, frammisti a neuroni che esprimono recettori diversi”.
Tuttavia, un preciso ordine spaziale viene raggiunto nel bulbo olfattivo: “Tutti i prolungamenti (assoni) dei neuroni presenti nelle cavità nasali che esprimono lo stesso recettore, convergono infatti in uno specifico punto (glomerulo) sul lato mediale e laterale di ciascun bulbo olfattivo, dando luogo alla mappa topografica olfattiva”, continua la ricercatrice Cnr-In. “Ad ogni glomerulo è dunque associato uno specifico recettore olfattivo, in grado di captare un determinato spettro di odori. La mappa topografica è basata sull’identità del recettore olfattivo, che non solo rileva gli odori ma guida la formazione dei glomeruli stessi”.
Il meccanismo con cui la stessa molecola poteva svolgere ruoli così diversi, oggetto di oltre vent’anni di ricerche nell’ambito delle neuroscienze, era però sconosciuto, fino alla scoperta di Lodovichi e collaboratori: “Il recettore olfattivo, presente nelle cavità nasali ma prodotto anche all’interno del cervello, nella porzione terminale dell’assone, viene attivato da alcune molecole espresse nel bulbo olfattivo per guidare l’aggregazione dei neuroni che esprimono lo stesso recettore nei glomeruli”, prosegue la ricercatrice. “Siamo riusciti a identificare nel fattore fosfatidiletanolammina-1 (PEBP1), la proteina in grado di legare il recettore espresso dal terminale assonico. Nei topi geneticamente modificati per non esprimere tale fattore, la mappa topografica del bulbo è fortemente alterata, confermando il ruolo chiave di tale proteina nell’attivare questo gruppo specifico di recettori”.
Pochi ligandi espressi nel bulbo olfattivo sono pertanto in grado di attivare specifici gruppi di recettori olfattivi tra oltre mille recettori i quali, inoltre, cooperano con altre molecole nella formazione della mappa. “Il recettore olfattivo, pertanto, non definisce solo l’intervallo sensoriale di ciascun neurone, ma anche il suo bersaglio nel cervello: gli odori sono codificati da un pattern spaziale di glomeruli attivati, la cui posizione ha un ruolo cruciale nella codifica e quindi nella finale percezione degli odori”, conclude Lodovichi. “Questa scoperta, oltre che per la comprensione della fisiologia del sistema olfattivo, è rilevante anche perché contribuisce ad approfondire la conoscenza di un sistema che è coinvolto in molteplici patologie neurodegenerative, quali Parkinson ed Alzheimer, i cui pazienti presentano deficit olfattivi anni prima dell’esordio delle alterazioni motorie e cognitive: capire i meccanismi di base che regolano il funzionamento del sistema olfattivo è fondamentale per qualsiasi ulteriore studio finalizzato a chiarire tali processi patologici”.
Il lavoro, supportato dalla fondazione Armenise-Harvard e condotto in collaborazione con i Dipartimenti di scienze biomediche, di scienze chimiche e di scienze farmaceutiche dell’Università di Padova e con l’Istituto veneto di medicina molecolare di Padova, ha visto la partecipazione di centri di ricerca e università in Belgio, Giappone, Regno Unito, Stati Uniti.
“Mentre i neuroni coinvolti nella vista e nell’udito sono disposti già a livello della retina e della coclea secondo un ordine che si proietta all’interno del cervello con la formazione di ‘mappe topografiche’ dove i vari stimoli visivi e uditivi attivano aree diverse”, spiega Lodovichi. “I neuroni sensoriali olfattivi esprimono lo stesso recettore, specifico per un range di odori, e sono localizzati senza un particolare ordine nell’epitelio olfattivo, frammisti a neuroni che esprimono recettori diversi”.
Il meccanismo con cui la stessa molecola poteva svolgere ruoli così diversi, oggetto di oltre vent’anni di ricerche nell’ambito delle neuroscienze, era però sconosciuto, fino alla scoperta di Lodovichi e collaboratori: “Il recettore olfattivo, presente nelle cavità nasali ma prodotto anche all’interno del cervello, nella porzione terminale dell’assone, viene attivato da alcune molecole espresse nel bulbo olfattivo per guidare l’aggregazione dei neuroni che esprimono lo stesso recettore nei glomeruli”, prosegue la ricercatrice. “Siamo riusciti a identificare nel fattore fosfatidiletanolammina-1 (PEBP1), la proteina in grado di legare il recettore espresso dal terminale assonico. Nei topi geneticamente modificati per non esprimere tale fattore, la mappa topografica del bulbo è fortemente alterata, confermando il ruolo chiave di tale proteina nell’attivare questo gruppo specifico di recettori”.
Pochi ligandi espressi nel bulbo olfattivo sono pertanto in grado di attivare specifici gruppi di recettori olfattivi tra oltre mille recettori i quali, inoltre, cooperano con altre molecole nella formazione della mappa. “Il recettore olfattivo, pertanto, non definisce solo l’intervallo sensoriale di ciascun neurone, ma anche il suo bersaglio nel cervello: gli odori sono codificati da un pattern spaziale di glomeruli attivati, la cui posizione ha un ruolo cruciale nella codifica e quindi nella finale percezione degli odori”, conclude Lodovichi. “Questa scoperta, oltre che per la comprensione della fisiologia del sistema olfattivo, è rilevante anche perché contribuisce ad approfondire la conoscenza di un sistema che è coinvolto in molteplici patologie neurodegenerative, quali Parkinson ed Alzheimer, i cui pazienti presentano deficit olfattivi anni prima dell’esordio delle alterazioni motorie e cognitive: capire i meccanismi di base che regolano il funzionamento del sistema olfattivo è fondamentale per qualsiasi ulteriore studio finalizzato a chiarire tali processi patologici”.
Il lavoro, supportato dalla fondazione Armenise-Harvard e condotto in collaborazione con i Dipartimenti di scienze biomediche, di scienze chimiche e di scienze farmaceutiche dell’Università di Padova e con l’Istituto veneto di medicina molecolare di Padova, ha visto la partecipazione di centri di ricerca e università in Belgio, Giappone, Regno Unito, Stati Uniti.
ENGLISH
The Institute of Neuroscience of the National Research Council has clarified the molecular mechanism of odor perception, the subject of over twenty years of research in the field of molecular medicine, based on the formation of brain sensory maps, defined by a precise spatial arrangement of Olfactory neurons guided by the odor receptor. Relevant for Parkinson's and Alzheimer's research, the results are published in "Cell Reports"
Step forward towards understanding the processes responsible for coding odors in the brain. The group of Claudia Lodovichi, first researcher of the Institute of Neuroscience of the National Research Council (Cnr-In) of Padua coordinated a study published in "Cell Reports" (https://doi.org/10.1016/j.celrep. 2019.11.099) which demonstrates the molecular mechanism of formation of brain topographic maps, where the neurons responsible for the perception of a given odor are grouped in specific areas of the olfactory bulb, the area of the brain that processes the stimuli captured in the tissue of the nasal cavities ( olfactory epithelium) through the olfactory receptors, proteins produced by the same olfactory neurons that bind a specific odorant 'trapped' in the nasal mucus.
"While the neurons involved in vision and hearing are already arranged at the level of the retina and cochlea according to an order that is projected inside the brain with the formation of 'topographic maps' where the various visual and auditory stimuli activate different areas ”, Explains Lodovichi. "The olfactory sensory neurons express the same receptor, specific for a range of odors, and are located without particular order in the olfactory epithelium, mixed with neurons that express different receptors".
However, a precise spatial order is reached in the olfactory bulb: "All the extensions (axons) of the neurons present in the nasal cavities that express the same receptor, in fact converge at a specific point (glomerulus) on the medial and lateral side of each olfactory bulb, giving rise to the olfactory topographic map ”, continues the researcher Cnr-In. “Each glomerulus is therefore associated with a specific olfactory receptor, capable of capturing a specific spectrum of odors. The topographical map is based on the identity of the olfactory receptor, which not only detects odors but guides the formation of the glomeruli themselves ".
The mechanism by which the same molecule could play such different roles, the subject of over twenty years of research in the field of neuroscience, was however unknown, until the discovery of Lodovichi and collaborators: "The olfactory receptor, present in the nasal cavities but produced also inside the brain, in the terminal portion of the axon, it is activated by some molecules expressed in the olfactory bulb to guide the aggregation of neurons that express the same receptor in the glomeruli ", continues the researcher. “We were able to identify the phosphatidylethanolamine-1 factor (PEBP1), the protein capable of binding the receptor expressed by the axonic terminal. In genetically modified mice not to express this factor, the topographical map of the bulb is heavily altered, confirming the key role of this protein in activating this specific group of receptors ".
Few ligands expressed in the olfactory bulb are therefore able to activate specific groups of olfactory receptors among over a thousand receptors which, moreover, cooperate with other molecules in the formation of the map. "The olfactory receptor, therefore, not only defines the sensory range of each neuron, but also its target in the brain: the smells are coded by a spatial pattern of activated glomeruli, whose position has a crucial role in coding and therefore in final perception of odors ", concludes Lodovichi. "This discovery, as well as for the understanding of the physiology of the olfactory system, is also relevant because it contributes to deepen the knowledge of a system that is involved in multiple neurodegenerative diseases, such as Parkinson and Alzheimer, whose patients have olfactory deficits years before onset of motor and cognitive alterations: understanding the basic mechanisms that regulate the functioning of the olfactory system is fundamental for any further study aimed at clarifying these pathological processes ".
The work, supported by the Armenise-Harvard foundation and conducted in collaboration with the Departments of biomedical sciences, chemical sciences and pharmaceutical sciences of the University of Padua and with the Venetian Institute of Molecular Medicine of Padua, saw the participation of centers and universities in Belgium, Japan, the United Kingdom, the United States.
Da:
www.lescienze.it/news/2020/01/28/news/nuova_luce_sulla_codifica_degli_odori_a_livello_cerebrale-4667985/?fbclid=IwAR3QsTHgVtu7yEYw7Bqk0GirSuecm6_eHoM4WqHABq4-TCnrXlw7oABHTzU
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