I benefici dell’ambiente arricchito sul cervello

Il nostro comportamento è modificabile nel tempo, grazie alla capacità intrinseca dei circuiti nervosi di mutare in risposta all’esperienza. Questa proprietà è definita neuroplasticità (se vuoi leggere alcuni esempi di plasticità neurale, clicca qui) e si distingue in:

• plasticità funzionale: variazione del numero di recettori-canale a livello di specifiche sinapsi già esistenti (non sai cos’è una sinapsi? Clicca qui.) Questo fenomeno si realizza secondo un meccanismo ipotizzato da Donald Hebb: la coattivazione ripetuta della cellula pre-sinaptica e di quella post-sinaptica induce un potenziamento che porta alla presenza di un maggior numero di recettori sinaptici. In questo modo, al successivo rilascio del neurotrasmettitore da parte del neurone pre-sinaptico, il maggior numero di recettori provocherà una risposta più grande nel neurone post-sinaptico.
  

• plasticità strutturale: formazione di nuovi contatti sinaptici attraverso la crescita di spine dendritiche. In realtà, in condizioni normali è già presente un turnover, determinato dalla formazione e dalla perdita di spine dendritiche; successivamente ad un evento di potenziamento, questo ricambio si sposta a favore di un aumento della densità di spine a livello del dendrite stimolato, a scapito dei dendriti che invece non ricevono stimolazioni, dove sarà maggiore la perdita di spine.
  Un’altra forma di plasticità sinaptica è la neurogenesi, la nascita di nuovi neuroni che avviene anche negli individui adulti, a livello dell’ippocampo. Si tratta quindi di un cambiamento a livello morfologico.

Quali fattori modulano la plasticità?

La plasticità è una proprietà del Sistema Nervoso influenzata dal tipo di stimolo e dal rilascio di neuromodulatori (come dopamina, serotonina o noradrenalina) che possono facilitare o meno il potenziamento. Di conseguenza, non tutti gli stimoli sono in grado di indurre un meccanismo di plasticità e non tutti gli individui rispondono allo stesso modo agli stessi stimoli.
Il tempo è un altro importante fattore che regola gli eventi di plasticità: esistono infatti dei periodi critici durante lo sviluppo in cui l’esperienza gioca un ruolo determinante. Questi periodi sono caratterizzati da un elevato grado di plasticità, differiscono da funzione a funzione e guidano lo sviluppo in base agli stimoli ricevuti.
Per esempio, già nell’ambiente intrauterino il feto riceve stimoli di natura uditiva, mentre la stimolazione visiva inizia al momento della nascita. Infatti, le capacità visive nel neonato sono scarse e maturano molto nei primi anni di vita. Il fatto che la visione si sviluppi mentre viene usata implica che il modo stesso con cui viene adoperata ne determina la futura potenzialità. Infatti, bambini che nei primi mesi di vita non hanno avuto esperienze visive (per esempio a causa di problemi a livello della cornea) non riescono a recuperare i deficit visivi, neanche dopo un eventuale intervento (Berardi & Pizzorusso, 2007). Questo avviene perché, una volta che il periodo critico è terminato, i meccanismi molecolari attraverso cui vengono indotti i fenomeni di plasticità cambiano.
Al contrario però di quello che si possa pensare, il fatto che la plasticità venga ridotta è molto importante, perché “congela” le funzioni apprese durante lo sviluppo. La chiusura del periodo critico è quindi fondamentale, perché permette di stabilizzare i circuiti nervosi che altrimenti sarebbero eccessivamente plastici nella fase adulta e molte funzioni apprese rischierebbero di essere dimenticate rapidamente. Questa cristallizzazione determina una plasticità durevole; per questo motivo anche durante la fase adulta è possibile imparare o migliorare le proprie capacità, ma con maggiori vincoli, rispetto a quanto avviene durante le fasi dello sviluppo.

Negli anni numerosi studi sono stati svolti per cercare di capire quali fossero i fattori molecolari responsabili della chiusura dei periodi critici, al fine di valutare se fosse possibile agire su di essi per correggere eventuali deficit neurocognitivi. In particolare, è stato visto come inducendo una sovraespressione di IGF1 o di BDNF sia possibile anticipare la chiusura del periodo critico (Huang et al., 1999; Wang et al., 2013); la chiusura anticipata del periodo critico comporta spesso la comparsa di problematiche a livello dei circuiti neurali che non hanno ricevuto sufficienti stimoli per svilupparsi adeguatamente. Il fatto interessante però è che in condizioni normali il rilascio di questi fattori molecolari è esperienza-dipendente (Wang et al., 2013; Ciucci et al., 2007): alcune esperienze promuovono la produzione di tali fattori, accelerando di fatto la chiusura del periodo critico, ma evitando l’insorgenza di anomalie. L’idea quindi è che l’esperienza stessa, accumulandosi, determini lo sviluppo precoce e la chiusura più rapida di queste finestre temporali.
Sulla base di queste conoscenze, sono state avviate ricerche che analizzassero la possibilità dell’esperienza stessa di ridurre i deficit neurocognitivi.

L’ambiente arricchito agisce sulla plasticità neurale:

Un metodo ampiamente descritto in letteratura prevede l’arricchimento dell’ambiente come strumento per aumentare l’espressione dei fattori molecolari che regolano i fenomeni di plasticità (Baroncelli et al., 2009). Studi di questo tipo solitamente sono svolti su roditori (topi o ratti) in ambiente controllato. Per ambiente arricchito si intende un ambiente ricco di stimoli somatosensoriali, sociali e motori, dove sia possibile esplorare, avere interazioni sociali e svolgere attività fisica volontariamente.

I topi e i ratti cresciuti in ambiente arricchito vanno incontro ad una precocizzazione dello sviluppo, rispetto ai topi di controllo, tenuti in ambiente standard. Nei topi adulti invece i principali effetti dell’ambiente arricchito riguardano l’aumento della neurogenesi ippocampale e l’efficacia sinaptica. Per questo motivo, protocolli di ambiente arricchito vengono utilizzati per valutare gli effetti in numerosi disordini neurocognitivi, quali:

• Corea di Huntington
• Alzheimer
• Parkinson
• Sindrome di Rett (per approfondire, clicca qui) e altre sindromi del neurosviluppo
• Epilessia (Koh et al., 2007; Dezsi et al., 2016; Mendonça et al., 2017; Suemaru et al., 2018)

Se da una parte questi protocolli sono stati applicati con successo, mostrando degli effetti significativi nel modello animale, si pone un problema nel momento in cui si cerca di proporre un trial clinico per l’essere umano.
Innanzitutto, sebbene l’approccio dell’ambiente arricchito sia semplice da realizzare in laboratorio, è altamente difficile ricreare le medesime condizioni nell’ambiente che circonda un individuo ogni giorno nella vita reale. La vita è infatti influenzata dalle condizioni lavorative, dalle relazioni interpersonali (quindi dai sentimenti che ne derivano) e dallo status socio-economico. Agire contemporaneamente su tutti questi fattori, tenendoli costantemente sotto controllo, non è evidentemente una strategia percorribile.
Un altro punto importante è rappresentato dalle capacità del soggetto: un individuo, specialmente se affetto da un disturbo, potrebbe essere limitato anche nello svolgimento dell’attività fisica. È fondamentale pertanto tener presente l’esistenza di questi vincoli, evitando di proporre ai pazienti dei protocolli difficilmente perseguibili.
Il vantaggio però dell’ambiente arricchito è che, valutando le opportune condizioni di sicurezza, non presenta controindicazioni o effetti collaterali. Non è quindi soggetto a tutte le fasi di controllo a cui normalmente devono essere sottoposti i farmaci, prima di poter essere impiegati nell’uomo e distribuiti su larga scala.

In conclusione quindi, l’ambiente arricchito è un approccio che ha mostrato effetti significativi nel modello animale, stimolando i meccanismi di plasticità neurale e riducendo i deficit neurocognitivi presenti in diverse patologie umane. Sebbene questi protocolli non abbiano mostrato effetti negativi, ulteriori studi dovranno essere svolti per proporre delle terapie evidence-based, cercando per quanto possibile di stratificare i pazienti.

Bibliografia:

• Baroncelli L., Braschi C., Spolidoro M., Begenisic T., Sale A., Maffei L. (2009) Nurturing brain plasticity: impact of environmental enrichment. Cell Death & Differentiation 17:1092–1103
• Berdardi N., Pizzorusso T. (2007) Psicobiologia dello Sviluppo. Editore Laterza
• Ciucci F., Putignano E., Baroncelli L., Landi S., Berardi N., Maffei L. (2007) Insulin-Like Growth Factor 1 (IGF-1) Mediates the Effects of Enriched Environment (EE) on Visual Cortical Development PLoS One 2(5): e475
• Dezsi G., Ozturk E., Salzberg M. R., Morris M., O’Brien T. J., Jones N. C. (2016) Environmental enrichment imparts disease-modifying and transgenerational effects on genetically-determined epilepsy and anxiety. Neurobiology of Disease 3:129-136
• Huang Z. J., Kirkwood A., Pizzorusso T., Bear M. F., Maffei L., Tonegawa S. (1999) BDNF Regulates the Maturation of Inhibition and the Critical Period of Plasticity in Mouse Visual Cortex. Cell 98(6):739-755
• Koh S., Magid R., Chung H., Stine C. D., Wilson D. N. (2007) Depressive behavior and selective down-regulation of serotonin receptor expression after early-life seizures: reversal by environmental enrichment. Epilepsy & Behavior 10(1): 26–31
• Mendonça F. N., Santos L. E. C., Rodrigues A. M., Da Silva S. G. , Arida R. M. , Da Silveira G. A. , Scorza F. A., Almeida A. G. (2017) Physical Exercise Restores the Generation of Newborn Neurons in an Animal Model of Chronic Epilepsy. Frontiers in Neuroscience 11(98)
• Suemaru K., Yoshikawa M., Aso H., Watanabe M. (2018) Environmental enrichment alleviates cognitive and behavioral impairments in EL mice. Epilepsy & Behavior 85:227-233
• Wang B., Feng L., Liu M., Liu X., Cang J. (2013) Environmental Enrichment Rescues Binocular Matching of Orientation Preference in Mice that Have a Precocious Critical Period Neuron 80(1):198-209