Una ricerca rivela il legame tra l'ormone dello stress e la plasticità cerebrale nella prima infanzia. / Research Reveals Link Between Stress Hormone, Brain Plasticity in Early Life

Una ricerca rivela il legame tra l'ormone dello stress e la plasticità cerebrale nella prima infanzia. / Research Reveals Link Between Stress Hormone, Brain Plasticity in Early Life

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Immagine al microscopio di una cellula cerebrale specializzata chiamata astrocita.  / A microscope image of a specialized brain cell called an astrocyte. 

Il cortisolo innesca una cascata di cambiamenti cerebrali che chiudono i periodi critici dell'apprendimento nei topi,

• Una ricerca sui topi rivela un nuovo meccanismo di controllo della plasticità cerebrale, fornendo una tanto attesa comprensione di come si concludono i periodi critici di apprendimento nella prima infanzia.

• Gli scienziati hanno scoperto che il cortisolo, l'ormone dello stress, innesca una serie di cambiamenti nella corteccia visiva che riducono la plasticità cerebrale con la maturazione dell'animale.

• Ulteriori analisi suggeriscono che lo stesso percorso, incentrato su cellule cerebrali chiamate astrociti, sia presente anche nel cervello umano.

• I risultati potrebbero avere implicazioni per la comprensione delle condizioni neuroevolutive e neuropsichiatriche legate a problemi di tempistica nella chiusura del periodo critico.

I ricercatori hanno scoperto un nuovo meccanismo di controllo della plasticità cerebrale nelle prime fasi della vita, offrendo spunti di riflessione sul fenomeno, finora poco compreso, della chiusura del periodo critico.

Nei mesi o negli anni successivi alla nascita, nel cervello si attivano periodi critici di apprendimento, che rendono l'organo particolarmente sensibile alle informazioni provenienti dal mondo esterno. Le esperienze vissute in questo periodo possono avere un impatto duraturo sul cervello, plasmando connessioni neurali che persistono fino all'età adulta. Con la crescita del bambino o del giovane animale, questo periodo di elevata plasticità cerebrale termina, in quanto i periodi critici iniziano a chiudersi attraverso meccanismi che rimangono in gran parte sconosciuti.

I ricercatori della Harvard Medical School hanno ora dimostrato, su topi, che l'ormone dello stress cortisolo svolge un ruolo chiave in questa fase di rallentamento. Attraverso una serie di esperimenti, hanno tracciato la cascata di cambiamenti cerebrali innescati dal cortisolo che contribuiscono alla chiusura del periodo critico. Hanno anche analizzato un set di dati preesistente per determinare che lo stesso percorso è presente nel cervello umano.

I risultati sono stati pubblicati il ​​20 maggio sulla rivista Nature.

"Riteniamo di aver individuato un meccanismo chiave che controlla la chiusura dei periodi critici durante lo sviluppo", ha affermato il primo autore Bruno Gegenhuber, ricercatore in neurobiologia presso il laboratorio di Michael Greenberg al Blavatnik Institute della HMS.

La ricerca potrebbe avere implicazioni di vasta portata per la comprensione della plasticità e della maturazione cerebrale, incluso il modo in cui lo stress precoce influisce sul cervello, ha affermato Greenberg, professore di neurobiologia presso la Harvard Medical School e autore senior dello studio.

Il lavoro, condotto in collaborazione con i ricercatori del Boston Children's Hospital, potrebbe inoltre fornire spunti per la ricerca su diverse condizioni neuroevolutive e neuropsichiatriche legate a problemi di tempistica nella chiusura del periodo critico.

Un nuovo percorso di plasticità

Il laboratorio Greenberg ha dedicato decenni allo studio dei meccanismi fondamentali della plasticità cerebrale. Gegenhuber stava proseguendo questa ricerca analizzando le cellule nella regione visiva del cervello del topo quando ha scoperto qualcosa di inaspettato: la prova di un percorso di plasticità cerebrale completamente nuovo.

I ricercatori stavano studiando la corteccia visiva del topo per comprendere come le esperienze precoci di vita, come la vista, influenzino la maturazione delle cellule cerebrali e l'espressione genica. Hanno condotto il sequenziamento a singola cellula di tutti i tipi di cellule in questa regione cerebrale in un gruppo di topi giovani esposti a livelli di luce normali ed in un gruppo di topi giovani cresciuti in un ambiente buio.

Hanno scoperto che nei topi esposti alla luce, il corticosterone – l'analogo del cortisolo nei roditori – viene rilasciato nel sangue dalle ghiandole surrenali ed attiva selettivamente e si lega ai recettori dei glucocorticoidi presenti sulle cellule cerebrali chiamate astrociti. Queste cellule a forma di stella sono tra le prime nel cervello a ricevere informazioni dal sangue, che utilizzano per supportare i neuroni in vari modi.

Gegenhuber e colleghi hanno determinato che una variazione del livello di cortisolo indotta dalla luce avvia un programma di oltre 100 geni negli astrociti, e questo processo promuove la maturazione della matrice extracellulare attorno ai neuroni, comprese le strutture chiamate reti perineuronali. Questa scoperta fornisce una potenziale spiegazione per le precedenti osservazioni degli scienziati secondo cui la maturazione della matrice extracellulare – che limita la formazione ed il ricambio delle connessioni tra i neuroni – contribuisce alla chiusura del periodo critico.

Nei topi cresciuti al buio, il percorso non si attivava e le fasi che portano alla chiusura del periodo critico non si verificavano. Inoltre, quando i ricercatori hanno rimosso i recettori dei glucocorticoidi nei topi adulti, hanno trovato prove del fatto che i periodi critici che si erano chiusi in precedenza durante lo sviluppo si riaprivano, aumentando la plasticità cerebrale.

Il gruppo ha quindi analizzato un set di dati preesistente relativo a singole cellule del cervello umano e ha determinato che lo stesso percorso emerge durante l'infanzia umana e raggiunge il picco intorno all'adolescenza.

Analizzando i dettagli

Ora, il gruppo intende identificare e caratterizzare ciascuno degli oltre 100 geni del programma genetico che hanno scoperto, per comprendere come influenzano i neuroni ed i circuiti neurali del cervello durante lo sviluppo.

"È come essere un bambino in un negozio di caramelle, nel senso che si cerca di capire cosa fa ogni gene e come contribuisce alla chiusura del periodo critico", ha detto Greenberg.

I ricercatori sono inoltre interessati a studiare come gli stressor precoci che aumentano i livelli di cortisolo influenzino la plasticità cerebrale dei topi attraverso il meccanismo da loro scoperto.

D'altro canto, Greenberg vuole sapere cosa succede a questo percorso durante l'invecchiamento.

Il gruppo vorrebbe inoltre approfondire se questa via metabolica svolga la stessa funzione negli esseri umani come nei topi. In tal caso, studiare come si chiudono i periodi critici nei topi potrebbe chiarire perché questi periodi a volte si chiudono prematuramente o rimangono aperti troppo a lungo nelle persone, come potrebbe accadere in patologie quali autismo, schizofrenia e disturbo bipolare. Svelare questi meccanismi potrebbe in futuro aiutare gli scienziati ad imparare come manipolare l'apertura e la chiusura dei periodi critici in modi che siano benefici per la salute umana.

Sebbene i ricercatori si siano concentrati sulla corteccia visiva, Greenberg ha sottolineato che il cortisolo è un ormone circolante nel sangue, il che significa che potrebbe attivare lo stesso percorso in altre parti del cervello. Se così fosse, ha affermato, il percorso scoperto dal gruppo potrebbe svolgere un ruolo nello sviluppo e nella maturazione di altre regioni cerebrali, comprese quelle coinvolte nell'apprendimento e nella memoria.

"Questo percorso è molto ampio, quindi penso che sarà importante per molti aspetti della maturazione e della plasticità cerebrale", ha affermato Greenberg.

ENGLISH

Cortisol kicks off cascade of brain changes that closes critical periods of learning in mice.

• Research in mice reveals a new way that brain plasticity is controlled — providing a long-awaited insight into how critical periods of learning close in early life.

• Scientists discovered that the stress hormone cortisol initiates a sequence of changes in the visual cortex that reduces brain plasticity as an animal matures.

• Additional analyses suggest the same pathway, which centers on brain cells called astrocytes, is present in the human brain.

• Findings could have implications for understanding neurodevelopmental and neuropsychiatric conditions linked to timing problems with critical-period closure.

Researchers have discovered a new way that brain plasticity is controlled in early life, offering insight into the little-understood phenomenon of critical-period closure.

In the months or years after birth, critical periods of learning in the brain are open, making the organ uniquely sensitive to information coming from the outside world. Experiences during this time can have a lasting impact on the brain by sculpting neural connections that persist into adulthood. As a child or young animal matures, this heightened period of brain plasticity ends as critical periods begin to close through mechanisms that remain largely unclear.

Harvard Medical School researchers have now shown in mice that the stress hormone cortisol plays a key role in this ramp-down. Through a series of experiments, they traced the cascade of brain changes initiated by cortisol that contributes to critical period closure. They also analyzed an existing dataset to determine that the same pathway is present in the human brain.

The findings published May 20 in Nature.

“We think we found a key mechanism that controls the closure of critical periods during development,” said first author Bruno Gegenhuber, research fellow in neurobiology in the lab of Michael Greenberg in the Blavatnik Institute at HMS.

The research could have far-reaching implications for understanding brain plasticity and maturation, including how early-life stress affects the brain, said Greenberg, the Nathan Marsh Pusey Professor of Neurobiology at HMS and senior author of the study.

The work, conducted in collaboration with researchers at Boston Children’s Hospital, could also inform research into various neurodevelopmental and neuropsychiatric conditions linked to timing problems with critical-period closure.

A new plasticity pathway

The Greenberg Lab has spent decades studying basic mechanisms of brain plasticity. Gegenhuber was continuing that research by analyzing cells in the visual region of the mouse brain when he found something unexpected: evidence of an entirely new pathway of brain plasticity.

The researchers were studying the mouse visual cortex to understand how early-life experiences such as vision affect brain-cell maturation and gene expression. They conducted single-cell sequencing of all the cell types in this brain region in a group of young mice exposed to normal light levels and a group of young mice raised in a dark environment.

They found that in the mice exposed to light, corticosterone — the rodent analog of cortisol — is released into the blood by the adrenal glands and selectively activates and binds to glucocorticoid receptors on brain cells called astrocytes. These star-shaped cells are among the first in the brain to receive information from the blood, which they use to support neurons in various ways.

Gegenhuber and colleagues determined that a light-induced change in the level of cortisol initiates a program of more than 100 genes in astrocytes, and this process promotes the maturation of the extracellular matrix around neurons, including structures called perineuronal nets. This finding provides a potential explanation for scientists’ previous observations that maturation of the extracellular matrix — which restricts the formation and turnover of connections between neurons — contributes to critical-period closure.

In mice raised in the dark, the pathway was not activated, and the steps towards critical period closure failed to take place. Moreover, when the researchers removed the glucocorticoid receptors in adult mice, they found evidence that the critical periods that had closed earlier in development reopened, increasing brain plasticity.

The team then analyzed a preexisting single-cell dataset from the human brain and determined that the same pathway emerges during human infancy and peaks around adolescence.

Digging into the details

Now, the team wants to identify and characterize each of the 100-plus genes in the gene program they uncovered to understand how they affect neurons and neural circuits in the brain during development.

“It’s like being a kid in a candy store in terms of figuring out what each gene does and how it contributes to critical period closure,” Greenberg said.

The researchers are also interested in studying how early-life stressors that raise cortisol levels affect mouse brain plasticity through the pathway they discovered.

On the flip side, Greenberg wants to know what happens to the pathway during aging.

The team would also like to explore whether the pathway serves the same function in humans as it does in mice. If it does, then studying how critical periods close in mice could illuminate why these periods sometimes close prematurely or stay open too long in people, as may be the case in conditions such as autism, schizophrenia, and bipolar disorder. Unraveling these mechanisms may eventually help scientists learn how to manipulate the opening and closing of critical periods in ways that are beneficial for human health.

Although the researchers focused on the visual cortex, Greenberg pointed out that cortisol is a blood-based hormone, meaning it may activate the same pathway in other parts of the brain. If that turns out to be the case, he said, then the pathway the team discovered could play a role in development and maturation of other brain regions, including those involved in learning and memory.

“This pathway is very broad, so I think it is going to be important for many aspects of brain maturation and plasticity,” Greenberg said.

Da:

https://hms.harvard.edu/news/research-reveals-link-between-stress-hormone-brain-plasticity-early-life?utm_source=OCERMarketingCloud&utm_medium=email&utm_campaign=06.02.2026-HMNews&utm_content=Link+Revealed+Between+Stress+Hormone+and+Brain+Plasticity+in+Early+Life