L’arricchimento ambientale – con infrastrutture, odori e sapori insoliti, giocattoli e puzzle – viene spesso utilizzato negli zoo, nei laboratori e nelle fattorie per stimolare gli animali e aumentare il loro benessere. Gli ambienti stimolanti sono migliori per la salute mentale e la cognizione perché aumentano la crescita e la funzione dei neuroni e delle loro connessioni, le cellule gliali che supportano e alimentano i neuroni e i vasi sanguigni all’interno del cervello. Ma quali sono i meccanismi molecolari più profondi che per primi hanno messo in moto questi grandi cambiamenti in neurofisiologia? Questo è l’argomento di un recente studio su  Frontiers in Molecular Neuroscience.
Qui, un team multinazionale di scienziati ha utilizzato un ampio toolbox molecolare per mappare, con dettagli senza precedenti, come l’arricchimento ambientale porta a cambiamenti nell’organizzazione 3D dei cromosomi nei neuroni e nelle cellule gliali del cervello del topo, con conseguente attivazione o disattivazione di una minoranza dei geni all’interno del genoma. Mostrano che i geni che negli esseri umani sono importanti per la salute mentale cognitiva sono particolarmente colpiti. Questa scoperta potrebbe ispirare la ricerca di nuove terapie. Qui mostrano per la prima volta, con dati su larga scala da molti metodi all’avanguardia, che i giovani topi adolescenti che sono cresciuti in un ambiente extra stimolante hanno cambiamenti ‘epigenetici’ altamente specifici, cioè cambiamenti molecolari oltre che nella sequenza del DNA, ai cromosomi all’interno delle cellule della corteccia cerebrale.
Questi aumentano l'”apertura” locale e la” circonferenza “dei cromosomi, specialmente attorno a tratti di DNA chiamati esaltatori e isolanti, che poi mettono a punto più geni “a valle”. Ciò accade non solo nei neuroni ma anche nelle cellule gliali di supporto, troppo spesso ignorate negli studi sull’apprendimento. I ricercatori hanno allevato topi di laboratorio per il primo mese dopo la nascita in gruppi sociali all’interno di alloggi con blocchi Lego, scale, palline e tunnel che sono stati frequentemente cambiati e spostati. Come controllo, i topi sono stati allevati in gruppi più piccoli all’interno di alloggi standard. Gli autori hanno quindi utilizzato una serie di strumenti complementari per cercare cambiamenti molecolari nei neuroni e nelle cellule gliali all’interno della corteccia cerebrale. Questi includevano cambiamenti nella struttura 3D dei cromosomi, in particolare l ‘”accessibilità della cromatina” (apertura) locale e le “interazioni con la cromatina” (dove i geni distanti sono riuniti attraverso anelli, per coordinare l’attività).
Mostrano che un interruttore “principale” operativo dopo l’arricchimento ambientale è un’attività localmente aumentata della proteina CTCF, che stimola le interazioni della cromatina all’interno e tra i cromosomi. Un secondo interruttore principale funziona aumentando localmente l’accessibilità della cromatina, specialmente all’interno dei neuroni piramidali che sono importanti per la cognizione. Un terzo è l’aggiunta altamente localizzata di gruppi CH3- (metile) all’importante proteina cromosomica istone H3, un cambiamento che attiva i geni vicini. Questi interruttori si verificano principalmente intorno alle regioni genomiche che contengono potenziatori, DNA regolatorio che (quando legato a proteine ​​chiamate fattori di trascrizione) può attivare i geni vicini. Sono state colpite anche le regioni genomiche con isolanti, DNA regolatorio che può annullare l’effetto di attivazione genica degli esaltatori vicini.
Gli autori concludono che crescere in un ambiente arricchito provoca cambiamenti epigenetici altamente locali e specifici nei neuroni e nelle cellule gliali. Questi poi cambiano l’attività – prevalentemente per attivazione piuttosto che inibizione – di una minoranza di geni all’interno del genoma. Complessivamente, lo 0,2-0,4% di tutti gli enhancer e il 2-5% di tutti i promotori (cioè i siti di inizio per la prima fase dell’espressione genica, dove il DNA viene trascritto in RNA codificante per proteine ​​o regolatori) sono interessati.
Questi risultati mostrano che molti dei geni coinvolti sono noti per svolgere un ruolo nella crescita e differenziazione dei neuroni, nello sviluppo dei vasi sanguigni, nella formazione e nello schema di nuove connessioni sinaptiche sui neuroni e nei percorsi molecolari implicati nella memoria e nell’apprendimento topi. E quando si cercano regioni parallele nel genoma umano, si trovano molte regioni che sono statisticamente associate a differenze in tratti complessi come l’insonnia, la schizofrenia e l’Alzheimer negli esseri umani, il che significa che questo studio potrebbe informare la ricerca futura su questi disturbi. Ciò indica il potenziale di arricchimento ambientale nelle terapie per la salute mentale. Questa ricerca potrebbe anche aiutare a guidare la ricerca futura sulle interazioni della cromatina e l’importanza poco conosciuta delle cellule gliali per la salute mentale cognitiva.

Daniele Corbo

Bibliografia: “Environmental Enrichment Induces Epigenomic and Genome Organization Changes Relevant for Cognition” by Sergio Espeso-Gil. Frontiers in Molecular Neuroscience

Immagine: world environment day (SUNIL BEGANA)