Il microbiota come mediatore dell'effetto dell'arricchimento nella plasticità neuronale in modello murino.

Il seguente elaborato di tesi tratta lo studio delle influenze del microbiota intestinale sulla plasticità del sistema visivo in modello murino. Per plasticità neuronale, nota anche come neuroplasticità o plasticità cerebrale, si intende la capacità del sistema nervoso di modificare la propria attività in risposta a stimoli intrinseci o estrinseci riorganizzando la sua struttura, le sue funzioni e/o le sue connessioni [von Bernhardi G, Bernahardi LE Eugenin J 2017] È stato dimostrato che la plasticità è particolarmente elevata nell'età giovanile e diminuisce nell’età adulta. Tuttavia, è stato constato che la plasticità nella neocorteccia adulta può essere riattivata tramite specifiche manipolazioni, come per esempio modifiche degli input sensoriali o delle interazioni sensorio-motorie, che alterano il livello di attività nei circuiti corticali [Hübener M Bonhoeffer T 2014 Nov 6]. Il microbiota intestinale è l’ecosistema di microorganismi (batteri, funghi, virus, protozoi) che convivono in simbiosi con l'organismo ospite; esso svolge un ruolo fondamentale nello sviluppo e mantenimento del sistema immunitario e dell’omeostasi metabolica [S.M. O'Mahony, G. Clarke et al. 2014]. Studi recenti hanno mostrato come la microflora intestinale possa influenzare le funzioni neuronali e il comportamento [Cryan JF, O'Riordan KJ, et al. 2019]. Tuttavia, nessuno ha mai investigato se alterazioni della microflora intestinale potessero avere effetti sulla plasticità cerebrale nei sistemi sensoriali, come il sistema visivo. Al fine di comprendere come cambiamenti nella composizione del microbiota intestinale possano influenzare la plasticità visiva ho utilizzato uno specifico paradigma sperimentale detto ambiente arricchito (AA). L'AA è una particolare condizione di allevamento degli animali caratterizzata da elevate interazioni sociali, stimolazioni cognitive, sensoriali e motorie [Nithianantharajah J, Hannan AJ.2006]. È stato dimostrato che l’AA ha la capacità di influenzare lo sviluppo del sistema visivo e di promuovere la plasticità di dominanza oculare (DO) nell’animale adulto. Per spiegare l’effetto pro-plastico dell’arricchimento, diversi meccanismi sono stati ipotizzati e dimostrati: incremento nella produzione di neurotrofine, alterazioni del rapporto eccitazione/inibizione etc. [Pizzorusso T, Berardi N, Maffei L 2007]. Tuttavia, nessuno si è mai chiesto se segnali provenienti dalla periferia dell’organismo potessero mediare gli effetti dell’AA sul cervello. Nel mio lavoro, ho investigato se il microbiota intestinale potesse svolgere un ruolo importante in tal senso. Prima di tutto, ho valutato la composizione del microbiota intestinale in animali allevati in condizioni standard (ST, gabbie senza giochi) o in AA a diverse età: prima dello svezzamento, subito dopo lo svezzamento e in età adulta (20, 25 e 90 giorni post-natale). L’analisi ha dimostrato variazioni significative nell’animale adulto allevato in arricchimento. Per dimostrare se il microbiota intestinale potesse mediare gli effetti pro-plastici dell’arricchimento sul sistema visivo dei topi adulti, ho effettuato una manipolazione del microbiota usando un cocktail di antibiotici ad ampio spettro e ho applicato il paradigma della deprivazione monoculare (DM). Questo esperimento consiste nella sutura di un occhio per 3 giorni e nella registrazione delle risposte visive nella corteccia visiva binoculare contralaterale all'occhio deprivato. Nell’animale giovane la DM causa un fenomeno plastico detto shift della DO. Questo effetto non è evidente nell’adulto. Tuttavia, nel topo adulto allevato in AA è possibile osservare shift della DO, poiché l’arricchimento mantiene i circuiti neuronali plastici [Sale A, Maya Vetercount JF, et al. 2007]. Per studiare la plasticità del sistema visivo abbiamo usato l'imaging ottico del segnalo intrinseco (IOS), una tecnica funzionale di imaging che si basa sui cambiamenti nell’intensità della luce riflessa dal cervello in risposta all’attivazione di una determinata area corticale, quando questo è illuminato da una sorgente di luce. L’attività evocata da stimoli visivi può quindi essere rilevata e quantificata misurando i pattern di riflettanza dalla corteccia nell'animale anestetizzato [Grinvald et al., 1986]. La manipolazione del microbiota negli animali arricchiti impedisce lo shift della dominanza oculare, suggerendo che l’AA abbia bisogno di una microflora intestinale intatta per promuovere la plasticità neuronale. Al fine di ottenere un’ulteriore dimostrazione sul ruolo del microbiota nel mediare gli effetti pro-plastici dell’AA sul sistema visivo dell’adulto, ho effettuato un esperimento di trapianto fecale. Feci da topi adulti allevati in AA (donatori) sono state inoculate tramite oral gavage in topi ST adulti. Dopo circa 4 settimane, abbiamo effettuato un esperimento di DM negli animali ST che avevano ricevuto il microbiota dei topi AA. Il trasferimento di feci da donatori AA è stato in grado di indurre plasticità corticale visiva nei topi ST riceventi, mentre, come ci aspettavamo, gli animali di controllo non hanno mostrato lo shift della DO. Il nostro esperimento di trapianto fecale dimostra che il "fenotipo plastico" del topo arricchito adulto può essere trasferito a un animale ST attraverso la microflora intestinale. Poiché il microbiota intestinale è fondamentale per la maturazione e il mantenimento delle funzioni della microglia [Erny et al. 2015], e questa classe di cellule sono state implicate nella plasticità di dominanza oculare [Sipe GO et al., 2016], ho studiato se alterazioni nella morfologia e attivazione delle cellule microgliali potessero essere coinvolte negli effetti da noi osservati nella corteccia visiva dei topi arricchiti e trattati con antibiotico. Il mio studio per la prima volta dimostra come i segnali provenienti dal microbiota intestinale possano mediare gli effetti dell’arricchimento sulla plasticità corticale