rapporto Lindau
Biologia Come funziona il corpo
I vincitori di premi Nobel hanno pubblicato 245 articoli su «Scientific American», molti dei quali tradotti su «Le Scienze». Qui presentiamo estratti dalle pubblicazioni del nostro archivio che hanno gettato nuova luce sul funzionamento del corpo. È il nostro tributo agli scienziati che si riuniranno in Germania per il sessantaquattresimo Lindau Nobel Laureate Meeting, dove 600 giovani ricercatori scambieranno risultati e idee con 38 premi Nobel per la fisiologia o la medicina
A cura di Ferris Jabr – Illustrazioni di Sam Falconer
In breve
Questa estate i premi Nobel per la promettenti scienziati sull’isola di pubblichiamo una selezione di Gli estratti riguardano varie parti fisiologia o la medicina Lindau, in Germania. estratti di articoli sulla biologia dal del corpo, tra cui i muscoli, il cervello incontreranno centinaia di giovani Come tributo all’incontro, nostro archivio, firmati da Nobel. e il sistema immunitario.
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Fisiologia di Edgar Douglas Adrian NEUROSCIENZE Pubblicazione: settembre 1950 Premio Nobel: 1932
Scopo della fisiologia è descrivere I meccanismi cerebrali movimento. Si trova così che sia la gli eventi che avvengono della visione cellula gangliare della retina sia la nell’organismo e, nel farlo, aiutare di David H. Hubel e cellula del corpo genicolato hanno incidentalmente il medico. Ma quali Torsten N. Wiesel la migliore risposta a una fonte eventi, e in quali termini dovrebbe NEUPubblicazioneRO su «LeS Scienze»:C IEluminosaNZE più o meno circolare, di descriverli? Al riguardo, nell’ultimo novembre 1979 un certo diametro, e posta in una mezzo secolo c’è stato un Premio Nobel: 1981 certa zona del campo visivo. cambiamento di prospettiva. Oggi La prima delle due trasformazioni c’è un accordo generale sul fatto La corteccia cerebrale è costituita principali effettuate dalla corteccia che sebbene la fisiologia si occupi da una lamina di tessuto nervoso visiva è il riarrangiamento dei processi dei viventi, alla fine spessa due millimetri, fittamente dell’informazione in arrivo in modo deve portare le proprie descrizioni ripiegata sopra gli emisferi cerebrali, che la maggioranza delle sue cellule nella cornice di fisica e chimica. ma in parte anche approfondita rispondano non più a macchie Nel XIX secolo la fisiologia poteva sotto di essi. Nell’articolo vogliamo luminose, ma a segmenti luminosi essere meno ambiziosa. C’era così dare un’idea dello stato attuale orientati in una particolare IMICA IMICA tanto da scoprire sulla struttura delle conoscenze di una particolare direzione. Nella corteccia c’è varietà e le attività a grande scala dei suddivisione della corteccia: la di tipi cellulari, dai più semplici ai diversi organi, anche senza cercare corteccia visiva primaria, la più più complessi per tipo di risposta, e H H di misurarne i cambiamenti semplice delle regioni corticali sembra ci sia una scala gerarchica fisici e chimici: in ogni caso, implicate nella visione. secondo cui le cellule più semplici
C erano disponibili pochi metodi di Il modo migliore di iniziare è riforniscono quelle più complesse. misurazione precisa. Quella prima descrivere la via ottica dalla retina Una cellula tipica risponde solo fase è finita. L’organizzazione alla corteccia in un primate. I quando la luce cade in una zona O C O generale dell’organismo è stata segnali in uscita da ciascun occhio particolare del campo visivo. Si I spiegata, almeno per quanto sono convogliati al cervello da circa ottiene la risposta migliore quando, riguarda le questioni più ovvie. un milione di fibre nervose che nella regione, si illumina una linea
B I I fisiologi hanno preso in prestito costituiscono il nervo ottico. Queste che ha la corretta inclinazione o, molte nuove tecniche provenienti fibre sono gli assoni delle cellule per qualche cellula, quando è fatta dalle scienze esatte, e il loro gangliari retiniche. Un grosso scorrere attraverso la regione stessa. interesse si sta spostando nella numero di fibre del nervo ottico si L’orientamento più efficace varia direzione della biofisica e della prolunga, senza interruzione, fino da cellula a cellula, ed è definito biochimica. in prossimità di due ammassi di in maniera tanto netta che una cellule nella profondità del cervello sua rotazione in senso orario o chiamate corpi genicolati laterali, antiorario di 10-20 gradi riduce o La ricerca sui muscoli dove formano sinapsi. Le cellule del abolisce la risposta. (Se sembrano di Albert Szent-Györgyi corpo genicolato laterale inviano molti, si ricordi che l’angolo tra BIOCHIMICA Pubblicazione: giugno 1949 a loro volta i propri assoni alla le 12 e le 13 sull’orologio è di 30 Premio Nobel: 1937 corteccia visiva primaria. gradi.) Fin dalla fine degli anni cinquanta Non molto tempo fa si guardava Il muscolo è una macchina, e in la nostra strategia per esaminare ai milioni di neuroni nei vari strati ogni macchina dobbiamo tenere questa via ottica è stata semplice. della corteccia e ci si chiedeva se conto di due elementi. Uno è la Cominciando, diciamo, dalle fibre avremmo mai avuto un’idea sul reazione di produzione di energia, e un rotore. Allo stesso modo, in il bisturi, il microscopio o il simile, la loro struttura, sebbene sia del nervo ottico, registriamo con loro modo di funzionare. Oggi come l’espansione del vapore in un un muscolo dobbiamo cercare la microscopio elettronico. Entrambi specializzata, può rivelare i principi microelettrodi l’attività di una per la corteccia visiva la risposta motore a vapore, il carburante che reazione che produce energia e una i filoni di ricerca sono molto fondamentali dell’architettura singola fibra nervosa e cerchiamo sembra nota, a grandi linee: stimoli brucia in un motore a combustione struttura significativa. interessanti. È lecito aspettarsi biomolecolare. In questa il modo più efficace di influenzare particolari accendono o spengono interna o il flusso di corrente in un La reazione energetica è un che scopriremo che la reazione prospettiva il muscolo smette di la scarica, stimolando la retina con i neuroni; gruppi di neuroni motore elettrico. Queste reazioni cambiamento chimico che energetica fondamentale è identica, essere un problema speciale. Lo una fonte luminosa. Si possono eseguono trasformazioni particolari. elementari possono fare un lavoro avviene tra molecole, e il suo almeno in linea di principio, in studio delle sue funzioni si mescola usare sorgenti luminose di qualsiasi Sembra ragionevole presumere che, utile solo se avvengono in una studio appartiene al regno della tutte le forme viventi. La ricerca sui allo studio della vita, e per questo forma, dimensioni e colore se i segreti di regioni corticali come struttura specifica, sia essa un biochimica. La struttura è dominio muscoli può quindi portarci alle studio il muscolo è un materiale concepibili, fonti luminose su fondo questa sono stati svelati, nel tempo cilindro e un pistone, o una bobina dell’anatomista, che lavora con fondamenta della vita. In modo unico e meraviglioso. scuro o viceversa, stazionarie o in ne seguiranno altre regioni.
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University, e io abbiamo deciso di trovare i geni che codificano per Apprendimento semplice. Immaginò che le queste molecole. I geni forniscono e individualità: associazioni si potessero formare lo stampo per le proteine, molecole le basi biologiche per attività neurale coincidente: che svolgono le funzioni cellulari. di Eric R. Kandel e «Quando l’assone di una cellula A… Con la tecnica del clonaggio Robert D. Hawkins eccita la cellula B e prende parte genico siamo riusciti a isolare i Pubblicazione su «Le Scienze»: ripetutamente o continuamente geni che codificano per i recettori novembre 1992 alla sua eccitazione, nell’una o olfattivi. Questa famiglia di geni Premio Nobel: 2000 (Kandel) in ambedue le cellule si verifica per i recettori ha rivelato proprietà qualche processo di crescita o adatte al ruolo che svolge nel Oggi è possibile studiare a livello cambiamento metabolico, così che riconoscimento degli odori. cellulare, addirittura molecolare, l’efficacia di A, come cellula che Innanzitutto i geni codificano aspetti elementari dei meccanismi attiva B, è aumentata». Secondo per proteine che ricadono in una importanti per molti tipi di Hebb, l’attività coincidente nei famiglia di recettori, già descritti in apprendimento diversi. Alcune neuroni presinaptici e postsinaptici precedenza, che attraversano sette forme di apprendimento e memoria è fondamentale per il rafforzamento volte la membrana delle cellule richiedono una registrazione della connessione fra di essi (un neuronali. Questi recettori attivano cosciente, e sono definiti meccanismo pre-post associativo). proteine-segnale chiamate proteine «dichiarative» o «esplicite». Le forme Nel 1963 Ladislav Tauc e uno di G. I primi studi su di essi, effettuati che non richiedono partecipazione noi (Kandel), lavorando insieme da Doron Lancet del Weizmann cosciente sono «non dichiarative» o all’Institut Marey di Parigi sul Institute of Science e da Randall R. «implicite». sistema nervoso della chiocciola Reed della Johns Hopkins Medical L’apprendimento esplicito è rapido, marina Aplysia, proposero una School, hanno concluso che anche e può verificarsi anche dopo una seconda regola dell’apprendimento i recettori olfattivi usano proteine sola seduta di addestramento. associativo. Tauc e Kandel G per innescare la cascata di eventi Spesso comporta l’associazione di trovarono che la connessione che conducono alla trasmissione di stimoli simultanei e permette la sinaptica fra due neuroni può essere un impulso elettrico lungo l’assone memorizzazione di informazioni rafforzata anche in assenza di sensoriale olfattivo. Inoltre, i geni relative a un singolo evento che attività della cellula postsinaptica che codificano per i recettori degli si verifica in un istante e in un quando sul neurone presinaptico odori sono attivi solo nei neuroni luogo particolari; perciò dà un agisce un terzo neurone, o neurone olfattivi. Anche se praticamente senso di familiarità rispetto a modulatore, che potenzia il rilascio ogni nostra cellula ha una copia di eventi precedenti. L’apprendimento di trasmettitore dalle terminazioni ogni gene, molti geni sono espressi implicito invece è lento, e si basa del neurone presinaptico. Questo solo in cellule specializzate. sull’accumulo per ripetizione meccanismo potrebbe assumere L’ampia gamma di geni per in una serie di molti tentativi. proprietà associative se gli La logica molecolare estendono verso l’esterno, a diretto posteriormente al naso. Il bulbo i recettori olfattivi sembra Spesso comporta l’associazione di impulsi elettrici della cellula dell’olfatto contatto con l’aria, sensori ciliati, o olfattivo è la prima stazione di rispecchiare la vasta gamma stimoli sequenziali e permette la presinaptica (i potenziali d’azione) di Richard Axel cilia. Dall’altra estremità cellulare collegamento per l’elaborazione degli odori. Esaminando il DNA memorizzazione di informazioni coincidessero con i potenziali Pubblicazione su «Le Scienze»: si diparte una fibra, l’assone, dell’informazione olfattiva nel di numerosi mammiferi, tra cui su relazioni predittive fra eventi. d’azione del neurone modulatore dicembre 1995 che raggiunge il cervello. Inoltre cervello; il bulbo collega l’epitelio l’uomo, abbiamo scoperto che circa L’apprendimento implicito si (un meccanismo associativo Premio Nobel: 2004 l’epitelio olfattivo contiene cellule nasale con la corteccia olfattiva, 1000 geni codificano per 1000 esprime principalmente in un premodulatorio). staminali neuronali che generano che si proietta a centri sensoriali recettori olfattivi diversi (ogni tipo miglioramento delle prestazioni in In seguito, abbiamo trovato L’anatomia di base del naso e del nuovi neuroni olfattivi durante la più alti nella corteccia, l’area che di recettore è espresso in migliaia determinati compiti, senza che il conferme sperimentali. Abbiamo sistema olfattivo è nota da tempo. vita dell’organismo. Diversamente controlla pensieri e comportamenti. di neuroni). Dato che il DNA di soggetto riesca a descrivere quello osservato il meccanismo associativo Nei mammiferi la percezione degli dalla maggior parte dei neuroni, che Da qualche parte in questa mammifero contiene probabilmente che ha appena imparato, e chiama premodulatorio in Aplysia, in cui odori inizia nella parte posteriore muoiono e non vengono sostituiti, organizzazione c’è una logica 100.000 geni [stima poi rivelatasi in gioco sistemi di memoria che contribuisce al condizionamento del naso, in quella piccola area i neuroni sensoriali olfattivi si intricata che il cervello usa per eccessiva, N.d.R.], l’ l per cento non si basano sui contenuti della classico, una forma di nota come epitelio olfattivo. Il rigenerano continuamente. identificare l’odore, distinguerlo dei nostri geni è destinato alla conoscenza generale dell’individuo. apprendimento implicito. Nel 1986 microscopio elettronico a scansione Quando un animale inala le da altri e produrre una risposta percezione degli odori. Quella dei L’esistenza di due forme di Holger J.A. Wigstrtim e Bengt rivela due tipi cellulari interessanti. molecole di un odore, queste emotiva o comportamentale. recettori olfattivi è la più grande apprendimento ha fatto sì che E.W. Gustafsson, dell’Università In questa regione, milioni di si legano a proteine, i recettori Per analizzare l’organizzazione del famiglia genica finora identificata i neurobiologi riduzionisti di Göteborg, hanno trovato che il neuroni, le cellule deputate alla proteici, che si trovano cervello con i miei collaboratori nei mammiferi. La quantità enorme si siano chiesti se esista una meccanismo pre-post associativo trasmissione dei segnali nei sull’estremità delle cilia. Il legame abbiamo iniziato dove un odore di informazione genetica destinata rappresentazione a livello cellulare è localizzato nell’ippocampo, dove sistemi sensoriali, forniscono con questi recettori genera un viene percepito fisicamente, vale all’olfatto può riflettere l’importanza per ciascuna. Il canadese Donald O. è usato in tipi di cambiamento una connessione fisica diretta tra segnale elettrico che viaggia negli a dire a livello recettoriale. Invece di questo sistema sensoriale per Hebb ipotizzò che l’apprendimento sinaptico che risultano importanti mondo esterno e cervello. Da una assoni fino al bulbo olfattivo, di esaminare i recettori olfattivi, sopravvivenza e riproduzione della associativo potesse essere prodotto per l’apprendimento spaziale, una terminazione di ogni neurone si nella parte frontale del cervello, Linda Buck, professore alla Harvard maggior parte dei mammiferi. da un meccanismo cellulare forma esplicita di apprendimento.
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tra animali differenti della stessa Il sistema immunitario IMMUNOLOGIA specie), ma ci sono ragioni per necessari milioni di chiavi diverse dubitare del fatto che questi siano di Niels Kaj Jerne per milioni di serrature differenti. normalmente gli strumenti della Pubblicazione su «Le Scienze»: Le configurazioni specifiche reazione contro un trapianto novembre 1973 riconosciute dalle molecole del genere. In modo abbastanza Premio Nobel: 1984 di anticorpi sono gli epitopi, paradossale, una concentrazione speciali aree sulla superficie di elevata di anticorpi circolanti Il sistema immunitario è macromolecole quali, per esempio, sembra semmai indebolire la paragonabile nella complessità proteine, polisaccaridi, acidi IMMUNOLOGIA reazione: permette al trapianto di delle sue funzioni al sistema nucleici. Le molecole che mostrano godere di una durata extra di vita. nervoso. Ambedue sono organi epitopi sono chiamate antigeni: I veri agenti dell’attacco al trapianto diffusi, dispersi in mezzo alla è difficile trovare una grossa non sembrano essere anticorpi, ma maggior parte dei tessuti corporei. molecola che non sia un antigene. cellule prodotte dalle ghiandole Nell’uomo il sistema immunitario Sistema immunitario e sistema linfatiche. Alcuni esperimenti pesa circa 1 chilogrammo, e nervoso sono gli unici capaci di abilmente progettati da G.H. consiste di circa 1012 cellule rispondere in maniera adeguata Algire, J.M. Weaver e R.T. Prehn al chiamate linfociti e 1020 molecole a un’enorme varietà di segnali. National Cancer Institute vanno in chiamate anticorpi e prodotte e Ambedue mostrano dicotomie: questa direzione. secrete dai linfociti. La peculiare le loro cellule possono ricevere In un esperimento, i tre ricercatori capacità del sistema immunitario e trasmettere segnali, e i segnali hanno inserito un omoinnesto consiste nel riconoscere una certa possono essere sia di natura in una capsula porosa prima di configurazione, e nel suo compito eccitatoria sia di natura inibitoria. impiantarlo in un topo che era stato nel fare la guardia all’organismo Le cellule nervose, i neuroni, sono precedentemente sensibilizzato e salvaguardare l’identità. in posizioni fisse nel cervello, nel da un omotrapianto dallo stesso Cellule e molecole del sistema midollo spinale e nei gangli e i donatore. Quando i pori della immunitario raggiungono i tessuti loro lunghi processi, gli assoni, capsula erano grandi abbastanza con la circolazione sanguigna, le collegano formando una rete. da far passare le cellule, il topo attraversano le pareti dei capillari La capacità dell’assone di un distruggeva il trapianto. Ma quando e, dopo una sosta, percorrono un neurone di formare sinapsi con l’esperimento usava membrane con sistema vascolare di ritorno loro la serie giusta di altri neuroni pori così piccoli che tenevano fuori proprio, il sistema linfatico. L’albero richiede qualcosa di simile a le cellule e lasciavano passare solo dei vasi linfatici raccoglie linfociti un riconoscimento di epitopi. fluido l’innesto sopravviveva. e anticorpi, assieme ad altre cellule I linfociti sono 100 volte più L’ipotesi per cui l’azione contro e molecole e al liquido interstiziale numerosi rispetto alle cellule il trapianto è a carico solo delle che bagna tutti i tessuti e riversa il nervose e, diversamente da queste cellule ematiche spiega perché i suo contenuto nella circolazione ultime, sono liberi di muoversi. trapianti di cornea sono risparmiati sanguigna, unendosi alle vene Tuttavia anch’essi interagiscono dall’attacco. La cornea non ha succlavie dietro la clavicola. sia mediante incontri diretti vasi sanguigni, di conseguenza le I linfociti si trovano in elevate sia attraverso le molecole di cellule del sangue non possono concentrazioni nei linfonodi, anticorpi che producono. Possono raggiungere l’innesto. stazioni situate lungo i vasi riconoscere ed essere riconosciuti: D’altro canto, nel cervello si osserva linfatici, e nelle sedi dove sono facendo così, formano una rete. la situazione opposta: il cervello prodotti ed elaborati: midollo Come nel caso del sistema nervoso, non ha un sistema di drenaggio osseo, timo e milza. Il sistema la modulazione della rete da parte linfatico, così ciascuno degli immunitario continuamente decade di segnali estranei rappresenta il antigeni liberati da un trapianto e si rinnova. Nei pochi istanti che vi suo adattamento al mondo esterno. potrebbe non essere in grado sono stati necessari per leggere fin Ambedue i sistemi apprendono Trapianti di pelle stato facilmente dimostrato dagli l’animale riceve semplicemente di viaggiare fino a centri in cui qui, il vostro corpo ha già prodotto quindi in base all’esperienza, e si di Peter Medawar esperimenti. Dopo che un topo un’iniezione di cellule di linfonodi possano provocare una risposta 10 milioni di nuovi linfociti e costruiscono una memoria che Pubblicazione: aprile 1957 ha ricevuto e rigettato un innesto da un altro topo che ha rigettato un immunitaria. Questo probabilmente un milione di miliardi di nuove si conserva mediante rinforzo, Premio Nobel: 1960 da un altro topo, distruggerà un trapianto. spiega perché gli omoinnesti molecole di anticorpi. Ciò potrebbe ma non può essere trasmessa secondo trapianto dallo stesso Nella maggior parte delle reazioni possono spesso essere effettuati con anche non essere così sbalorditivo alle generazioni future. Queste La reazione contro l’innesto di donatore oltre due volte più immunitarie il corpo impiega successo nel cervello. se tutte queste molecole di anticorpi analogie nell’espressione dei un tessuto è di tipo immunitario, velocemente, e in un modo che anticorpi come agenti distruttivi, fossero uguali, ma in realtà non due sistemi possono derivare da ovvero una reazione dello stesso dimostra che è stato preparato per esempio nell’attacco a proteine lo sono. Sono necessari milioni di somiglianze nel complesso di geni per approfondire tipo di quella provocata nel corpo dal punto di vista immunologico. estranee, germi e così via. Gli molecole diverse per poter assolvere che codificano per la loro struttura da proteine estranee, glubuli Questa sensibilità accentuata è anticorpi sono formati in risposta Lindau Nobel Laureate Meetings: www.lindau-nobel.org il compito di riconoscere delle e che controllano il loro sviluppo rossi estranei, o batteri. Questo è conferita a un topo anche quando a un omoinnesto (un trapianto Menti da Nobel. Jabr F., in «Le Scienze», n. 539, luglio 2013. configurazioni, così come sono e funzione.
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