La “materia grigia” è solo uno dei due tipi di tessuto cerebrale; l’altro “materia bianca” è raramente menzionato. Eppure la materia bianca costituisce la metà del cervello umano e non si è pensato che fosse importante nella cognizione o nell’apprendimento al di fuori del contesto della patologia. Questo punto di vista potrebbe cambiare. L’imaging e gli studi cellulari e molecolari stanno rivelando la plasticità della materia bianca con possibili implicazioni per la normale funzione cognitiva e i disturbi psicologici.
La materia bianca, che si trova sotto la corteccia della materia grigia, è composta da milioni di fasci di assoni (fibre nervose) che collegano i neuroni in diverse regioni del cervello in circuiti funzionali. Il colore bianco deriva dall’isolamento elettrico (mielina) che riveste gli assoni (vedi figura). È formata da cellule non neuronali, gli oligodendrociti, che avvolgono fino a 150 strati di membrana cellulare strettamente compressa intorno agli assoni. La mielina è essenziale per la trasmissione ad alta velocità degli impulsi elettrici, e il suo danno può compromettere la conduzione e di conseguenza le funzioni sensoriali, motorie e cognitive. Il cervello umano continua a subire la mielinizzazione almeno fino alla terza decade di età, e le regioni frontali della corteccia cerebrale, che svolgono funzioni esecutive di livello superiore, sono le ultime a diventare mielinizzate.
Studi istologici su animali da esperimento dovrebbero chiarire se i cambiamenti della materia bianca visti dalla risonanza magnetica dopo l’apprendimento sono causati dalla mielinizzazione di assoni non mielinizzati, da un aumento dello spessore della mielina sugli assoni già mielinizzati, da alterazioni del calibro degli assoni, della ramificazione o dell’incrocio, o da altri cambiamenti cellulari. Le analisi MRI dei macachi giapponesi hanno mostrato, per esempio, grandi cambiamenti strutturali nella materia bianca del cervelletto dopo averli addestrati a usare un rastrello per recuperare una ricompensa alimentare (4). L’entità del cambiamento era correlata alla velocità di apprendimento dell’abilità. Studi su ratti cresciuti in ambienti arricchiti che forniscono interazione sociale e oggetti nuovi per l’esplorazione hanno rivelato robusti cambiamenti cellulari nella materia grigia e bianca che includono tessuto vascolare, glia, neuroni, e una maggiore mielinizzazione (5). Se la mielina ha un ruolo primario nell’aumento dell’elaborazione delle informazioni in tali modelli animali dovrebbe essere ulteriormente esplorato, come osservazioni come quelle negli studi ratto-ambiente può avere implicazioni per la comprensione dello sviluppo del cervello durante l’esperienza prima infanzia.
Non è chiaro se le esperienze regolano la mielinizzazione in età adulta. La dimensione della regione cerebrale del corpo calloso è aumentata del 10% nei ratti adulti che sono stati collocati in un ambiente arricchito per diversi mesi, ma questo è stato causato da un aumento del volume di un altro tipo di cellula gliale (astrociti) e di assoni non mielinizzati, forse come risultato della germinazione degli assoni (6). Lo stesso trattamento ha aumentato il volume degli assoni mielinizzati nel corpo calloso degli animali giovani. Così, più assoni sembrano diventare mielinizzati come risultato dell’esperienza durante il periodo di sviluppo quando la mielinizzazione è più attiva. Tuttavia, il 29% degli oligodendrociti che formano la mielina nei topi adulti si sviluppa da cellule progenitrici oligodendrocitarie (OPC) dopo la maturità sessuale (7). Forse questa fornitura è generata per la riparazione o forse per la mielinizzazione associata all’apprendimento. È interessante notare che il ciclo di divisione cellulare delle OPC aumenta di 8 ore per ogni giorno di età dalla nascita (8), indicando che la capacità di formare nuovi oligodendrociti diminuisce con l’età. Questo è parallelo al normale declino della cognizione umana e alla diminuzione del volume della materia bianca dopo i 50 anni (9).
Una delle più grandi categorie di geni la cui espressione cambia durante il sonno include i geni che controllano lo sviluppo degli oligodendrociti e la mielinizzazione (10). La ragione di questo non è chiara, ma il sonno è legato al consolidamento della memoria. Mutazioni nei geni oligodendrociti sono stati identificati come possibili fattori di rischio per la depressione e la schizofrenia (11), e l’interruzione di geni specifici in oligodendrociti del mouse è correlato con cambiamenti comportamentali simili alla schizofrenia negli esseri umani (12). I disturbi mentali sono attualmente intesi come disturbi della trasmissione sinaptica, ma gli oligodendrociti potrebbero forse contribuire alle aberrazioni nella trasmissione.
Come fanno gli oligodendrociti a sapere quali assoni sono elettricamente attivi? L’attività degli impulsi può influenzare la mielinizzazione? Sono stati identificati tre meccanismi che regolano la mielinizzazione o lo sviluppo della glia che forma la mielina in risposta alla stimolazione elettrica degli assoni in vitro. Frequenze specifiche di impulsi elettrici controllano la quantità di L1 CAM presente sugli assoni non mielinizzati, una molecola di adesione cellulare necessaria per la mielinizzazione (13). Il neurotrasmettitore adenosina 5′-trifosfato (ATP) viene rilasciato dagli assoni e attiva i recettori sugli astrociti, inducendoli a rilasciare una citochina (fattore inibitorio della leucemia) che stimola la mielinizzazione degli oligodendrociti maturi (14). L’adenosina derivata dall’idrolisi dell’ATP rilasciato promuove lo sviluppo delle OPC e quindi aumenta la mielinizzazione (15). Anche se sono state rilevate sinapsi sulle OPC, sollevando l’ipotesi che la comunicazione sinaptica potrebbe stimolare la mielinizzazione, le sinapsi neurone-OPC vengono perse quando le OPC maturano in uno stadio premielinizzante (16). Inoltre, è stato identificato un meccanismo non sinaptico per il rilascio di ATP dagli assoni (17).
La materia bianca è essenziale per la conduzione degli impulsi, e quindi il concetto di plasticità della materia bianca amplia il campo di indagine oltre la sinapsi, considerando la trasmissione di informazioni attraverso le reti neurali che sono fondamentali per l’apprendimento di abilità complesse e funzioni cognitive di livello superiore in assenza di patologia. Forse le differenze della materia bianca che correlano con il punteggio nei test del quoziente di intelligenza (18) e alcune condizioni psichiatriche (11) possono essere attribuite in parte a un ruolo diretto della materia bianca nell’apprendimento e nella funzione cognitiva. Ma molto lavoro deve essere fatto per esplorare queste interessanti possibilità. Questo include la determinazione della natura dei cambiamenti strutturali della materia bianca osservati e la valutazione se questi cambiamenti influenzano la trasmissione degli impulsi elettrici e/o la sincronia degli spari neuronali in un modo che influisce sull’elaborazione delle informazioni.