Gli scienziati della Johns Hopkins University School of Medicine e del National Institutes of Health hanno identificato una proteina nel sistema visivo dei topi che sembra essere fondamentale per stabilizzare i ritmi circadiani dell’organismo tamponando la risposta del cervello alla luce. La scoperta, pubblicata sulla rivista PLoS Biology, potrebbe aiutare a trattare meglio i disturbi del sonno e il jet lag. Lo studio è stato guidato da Alex Kolodkin, professore del Dipartimento di Neuroscienze della Johns Hopkins, e dal dottor Samer Hattar, capo della Divisione Luce e Ritmi Circadiani del National Institute of Mental Health.

Le interruzioni del ritmo circadiano possono portare a malattie

Gli scienziati sanno da tempo che la maggior parte degli esseri viventi possiede un orologio circadiano, una serie di ritmi biologici che si svolgono in un ciclo di 24 ore e che influenzano, tra le altre cose, la veglia, la sonnolenza, l’appetito e la temperatura corporea. L’alterazione di questo sistema – ad esempio attraverso il lavoro a turni o i viaggi a lunga distanza attraverso più fusi orari e fasce luminose negli esseri umani – può avere gravi conseguenze. Studi precedenti hanno collegato l’alterazione persistente del ritmo circadiano a un aumento del rischio di cancro, depressione e una serie di altri problemi medici. Il sistema circadiano viene essenzialmente “allenato” dall’esposizione alla luce. Sebbene negli ultimi decenni i ricercatori abbiano compiuto progressi significativi nella descrizione dei meccanismi responsabili dei ritmi circadiani, non è ancora chiaro come il cervello si sintonizzi su di essi.

Per saperne di più, gli scienziati hanno cercato in un database le molecole biologiche presenti durante lo sviluppo nel centro di controllo del ritmo circadiano del cervello di topo, il nucleo soprachiasmatico (SCN). Situato in profondità nell’ipotalamo del cervello del topo e dell’uomo, il SCN è vicino alle aree che controllano la visione e stabilisce connessioni con le cellule cerebrali che portano alla retina, la parte dell’occhio sensibile alla luce.

Come una proteina specifica mantiene stabili i ritmi circadiani

Il team di ricerca ha rapidamente identificato una proteina di superficie cellulare chiamata teneurina-3 (Tenm3), che appartiene a una famiglia più ampia di proteine che svolgono un ruolo chiave nella costruzione dei circuiti del sistema visivo e, più in generale, in altri circuiti del sistema nervoso centrale. Quando i ricercatori hanno modificato geneticamente i topi per impedire la produzione di Tenm3, gli animali hanno sviluppato meno connessioni tra la retina e il SCN rispetto agli animali con Tenm3 intatto. Tuttavia, i topi privi di Tenm3 hanno sviluppato molte più connessioni tra le cellule del nucleo e dell’involucro del SCN, dove Tenm3 è solitamente localizzato.

Per scoprire fino a che punto Tenm3 stabilizza il ritmo circadiano o lo interrompe con un po’ di luce, gli scienziati hanno sviluppato una serie di esperimenti. In primo luogo, hanno addestrato i topi privi di Tenm3 a un ciclo luce-buio di 12 ore e poi hanno spostato il periodo di buio in avanti di sei ore. I topi con Tenm3 intatto hanno impiegato circa quattro giorni per adattare il loro ritmo circadiano allo spostamento, misurato da modelli di attività indicativi di normali cicli di sonno. Gli animali senza Tenm3, invece, si sono adattati molto più rapidamente, in circa la metà del tempo.

Quando i ricercatori hanno condotto un esperimento simile in cui la luce era due volte più fioca rispetto al test precedente, i topi con Tenm3 hanno impiegato circa otto giorni per regolare il loro ciclo circadiano, mentre i topi senza Tenm3 hanno impiegato solo circa quattro giorni. Anche un impulso di 15 minuti di luce fioca ha innescato la produzione di una sostanza chimica nel cervello che funge da indicatore dell’esposizione alla luce nei topi senza Tenm3 – ma non in quelli con proteina Tenm3 normale – suggerendo una maggiore sensibilità agli stimoli luminosi necessari per impostare o resettare l’orologio circadiano.

Secondo gli autori, questi risultati suggeriscono che Tenm3 aiuta il cervello a mantenere stabili i ritmi circadiani anche quando l’esposizione alla luce è variabile. Se i ritmi circadiani si adattassero a ogni rapido cambiamento delle condizioni di luce, come un’eclissi o una giornata molto buia e piovosa, non sarebbero molto efficaci nel regolare comportamenti periodici come il sonno e la fame. La proteina identificata dagli esperti aiuta a cablare il cervello durante lo sviluppo neuronale in modo che possa rispondere in modo stabile da un giorno all’altro alle sfide del ritmo circadiano; man mano che i ricercatori impareranno a conoscere meglio questo sistema e il ruolo di Tenm3, potrebbero essere in grado di diagnosticare e trattare i disturbi che causano l’insonnia e altri disturbi del sonno nelle persone, o eventualmente sviluppare trattamenti per il jet lag.