Istituto di neuroscienze (IN)

Attività di ricerca

INTRODUZIONE
Questo Istituto vuole contribuire, con le sue capacità e competenze, alla soluzione dei molti problemi di biologia di base ancora aperti nell'ambito delle neuroscienze, con particolare attenzione alle loro implicazioni cliniche e terapeutiche.
Per comprendere l'enorme impatto delle neuroscienze sulla salute pubblica e sociale è sufficiente considerare che circa 100 milioni di persone al mondo soffrono di gravi patologie nervose e neurodegenerative che rappresentano vere e proprie emergenze sociali e di salute pubblica. Si stima che le sole demenze colpiscano oltre 500.000 soggetti in Italia e che, col progressivo invecchiamento della popolazione, rappresenteranno sempre più una priorità sanitaria del nostro paese. Se a questo si affianca la considerazione di altre malattie neurologiche, croniche e disabilitanti, delle conseguenze dell'abuso di sostanze neuroattive, dei costi umani e sociali delle patologie indotte da lesioni del sistema nervoso, è difficile sfuggire alla conclusione che le neuroscienze sono uno dei campi della ricerca che maggiormente possono contribuire con i loro avanzamenti alla salute individuale e pubblica. E' evidente che la risoluzione delle malattie del Sistema Nervoso sarà lenta e progressiva e non può che passare dalla ricerca e, soprattutto, dalla ricerca di base. La conoscenza del Sistema Nervoso è infatti ancora del tutto insufficiente per consentire un approccio razionale alla genesi e alla terapia di molte patologie nervose.

TEMATICHE DI RICERCA
L' Istituto di Neuroscienze del CNR svolge la propria ricerca nell'ambito di tre principali settori:
(i) Migliorare la comprensione dei meccanismi di base del funzionamento del Sistema Nervoso, dai processi molecolari, cellulari e genetici che regolano lo sviluppo, ai meccanismi molecolari e cellulari che presiedono alla formazione, sviluppo e funzione dei circuiti nervosi, all' organizzazione sovracellulare del cervello, ai rapporti che intercorrono tra i processi biologici, fisiologici e psicologici e la loro reciproca relazione, ai meccanismi che consentono il recupero funzionale a seguito di lesioni di circuiti nervosi centrali o periferici.
(ii) Favorire lo sviluppo di approcci innovativi nella terapia, diagnosi e prevenzione delle malattie neurologiche e psichiche, in base ai dati ottenuti nel punto (i) e all'analisi epidemiologica della loro frequenza, distribuzione e fattori di rischio.
(iii) Potenziare lo sviluppo della psicobiologia sperimentale per sviluppare nuovi metodi per comprendere e, quindi, potenziare o recuperare la resa delle funzioni del cervello, quali l'apprendimento, la memoria, l'attenzione, etc.
Le tematiche dell'Istituto si sono ampliate nel 2014 con un nuovo tematica di ricerca relativa ai modelli matematici per lo studio della fisiopatologia e della proprietà dei farmaci e l'elaborazione dei segnali mioelettrici per la realizzazione di esoscheletri robotici per la riabilitazione motoria

Una descrizione dettagliata delle linee di ricerca dell'Istituto è fornita più sotto.

PRINCIPALI RISVOLTI APPLICATIVI DELL'ATTIVITA' DELL'ISTITUTO
Nei suoi laboratori l'Istituto di Neuroscienze svolge ricerca di frontiera per la comprensione dei meccanismi che regolano le funzioni cerebrali, lo sviluppo e la rigenerazione del sistema nervoso, il funzionamento delle cellule nervose e dei circuiti neurali, ed i processi di alterazione patologica. Dalle ricerche in questi settori ci attendiamo importanti avanzamenti della conoscenza di base e diretti contributi applicativi in molti settori di grande impatto sociale ed economico, quali i campi dei:
· neurotossicità
· malattie neurodegenerative
· malattie nervose autoimmuni
· invecchiamento
· diagnostica e monitoraggio di malformazioni cerebrali embrionali
· rigenerazione nervosa
· recupero funzionale in seguito a lesioni nervose
meccanismi dell'interazione nervo-muscolo e della regolazione genica dipendente dall'attività
· diagnostica precoce di patologie nervose
· stress
· dolore
· morte neuronale
· farmaci neuroattivi
· memoria e apprendimento
. tossicodipendenze



DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'ATTIVITA' DI RICERCA DELLE SEDI DELL'ISTITUTO DI NEUROSCIENZE CNR

A)ISTITUTO DI NEUROSCIENZE CNR- PADOVA
La ricerca svolta in questa sede riguarda principalmente la biochimica e la fisiologia delle membrane cellulari, incluse quelle di organelli subcellulari. I principali temi di ricerca sono:

1.BIOLOGIA E FISIOPATOLOGIA NEUROMUSCOLARE:Le attività comprendono lo studio della regolazione della contrazione muscolare, dei segnali extra e intracellulari che controllano la specificazione dei tipi di fibre e la crescita muscolare da parte dell'attività nervosa, la rigenerazione muscolare, con particolare riferimento alle cellule staminali, l'identificazione dei geni implicati nell'atrofia e ipertrofia muscolare, anche mediante analisi sistematica dei profili di espressione genica nei tessuti normali e patologici.

2.NEUROBIOLOGIA E NEUROPATOLOGIA: Le attività tendono al chiarimento di processi molecolari e cellulari
particolarmente rilevanti per le cellule nervose, e comprendono lo studio
di:
1) interazioni fra cellule gliali e neuroni nel sistema nervoso centrale (SNC);
2) il "segnale Ca2+" nel sistema nervoso: ruoli fisiologici e patologici;
3) neurotossine e loro meccanismi d'azione;
4) meccanismi e biochimica dell'apoptosi e dei processi ossidativi;
5) le proteine prioniche PrP e Dpl;
6) la trasduzione di segnali mediante fosforilazioni e defosforilazioni di proteine.

3.STUDI SULLE BASI BIOLOGICHE DEI PROCESSI DI PROCESSI PSICHICI E FISICI DELL'INVECCHIAMENTO: Le attività attualmente in corso sono:
registro delle demenze (raccolta dati fase longitudinale) e creazione della banca biologica presso l'ISS;
raccolta dati sulla patologia delle alte vie digestive in un campione nazionale di anziani; studi di faramcogenetica della malattia di Alzheimer;
realizzazione del progetto sulla valutazione del dolore nel paziente demente tramite registrazione dei potenziali evocati corticali;
valutazione degli indicatori, quali il DALY, per patologie cardiache, ictus, BPCO e diabete;
valutazione del progetto epidemiologico sui fattori di rischio cardiovascolari nell'anziano su un campione di 400 anziani scelti casualmente dalle liste anagrafiche.
Sono in corso valutazione dei dati raccolti nel progetto multicentrico nazionale EOLO sulla copresenza di osteoporosi e BPCO in soggetti anziani.

4. RUOLO DELLE CELLULE GLIALI NELLA PATOLOGIA EPILETTICA.
Nel modello di epilessia in vivo (somministrazione i.p. di pilocarpina) è stato osservato che: l'attivazione degli astrociti avviene anche nella neocorteccia dopo l'induzione dell'attività epilettica. La somministrazione sistemica di ifenprodil che blocca specificatamente il recettore che media l'azione del glutammato degli astrociti (NMDA-2B), non modifica l'attività epilettica per se ma riduce drasticamente la morte dei neuroni, sia in CA3 che nella neocorteccia.
I risultati finora ottenuti in fettine di ippocampo dimostrano che: l'attività epilettica indotta con 50 mM picrotossina (un inibitore del recettore per il GABA) e 0 mM Mg2+ nei neuroni della CA3 attiva significativamente anche gli astrociti. La percentuale di astrociti attivi aumenta dal 35% (61 di 173) al 56% (91 in 173) e la frequenza degli aumenti del calcio quasi raddoppia, da 0.28/min a 0.54/min. Il rilascio di glutammato dagli astrociti induce un'aumento drastico degli episodi di sincronia nei neuroni piramidali della regione CA3. Questa attività è resistente all'azione della tetrodotossina ed è bloccata da antagonisti del recettore NMDA.

5. MODELLI MATEMATICI: le attività consistono principalmente nello sviluppare e applicare modelli e metodi matematici nel campo dello studio quantitativo della fisiopatologia in ambito metabolico attraverso i tre seguenti settori principali: valutazione in vivo della funzionalità metabolica (in particolare insulino-sensibilità e funzione beta-cellulare) nello studio del diabete, obesità e patologie cardiovascolari; studio delle caratteristiche, dei meccanismi di azione e dell'efficacia di farmaci; studio dei processi di legame ligando-recettore per mezzo di modelli di dinamica molecolare; ricerca di metodi non invasivi per la misura della glicemia e natriemia


ISTITUTO DI NEUROSCIENZE CNR - CAGLIARI.
La ricerca svolta in questa sede riguarda principalmente lo studio delle tossicodipendenze:

1.NEUROBIOLOGIA DELLE DIPENDENZE: La presente Commessa è focalizzata principalmente sullo studio delle basi molecolari, biochimiche, elettrofisiologiche e comportamentali delle dipendenze da farmaci, con lo scopo ultimo di individuare nuovi trattamenti farmacologici per queste patologie.
Le principali attività di ricerca sono raggruppabili nei seguenti sottoprogetti:
-Studio delle basi neurobiologiche della dipendenza da sostanze lecite ed illecite;
-Studio del ruolo degli steroidi neuroattivi nello sviluppo della dipendenza e tolleranza all'alcol;
-Valutazione del ruolo degli ormoni steroidei nell'abuso di alcol in un modello sperimentale di stress cronico;
-Studio degli effetti di sostanze d'abuso sulla trasmissione dopaminergica (DAergica) nel nucleus accumbens (NAc) shell e core in ratti selezionati geneticamente per la loro vulnerabilità alle droghe;
-Studio dell'interazione tra farmaci d'abuso (oppiacei e cannabinoidi) e funzioni erettile e sessuale;
-Valutazione delle conseguenze dell'abuso di derivati della Cannabis in un modello animale di schizofrenia;
-Studio dell'influenza della caffeina sui circuiti neuronali coinvolti nelle proprietà di rinforzo e di dipendenza delle sostanze d'abuso.

2. NEUROBIOLOGIA DELL'ALCOLISMO:
Le principali tematiche di ricerca della Commessa sono:
- studio del ruolo dei recettori cannabinoidergici CB1 nel controllo del consumo di alcol e delle proprietà motivazionali dell'alcol nei ratti sP;
- studio del ruolo del sito di modulazione allosterica positiva dei recettori GABA(B) nel controllo del consumo di alcol e delle proprietà motivazionali dell'alcol nei ratti sP;
- studio dell'effetto dell'acido gamma-idrossibutirrico (GHB) sulle proprietà motivazionali dell'alcol nei ratti sP;
- identificazione di farmaci (di origine sintetica e naturale) efficaci nel sopprimere i segni della crisi d'astinenza acuta da alcol (hangover) nel ratto.
Altre tematiche di ricerca in svolgimento nell'ambito della Commessa sono:
- identificazione di farmaci (di origine sintetica e naturale) efficaci nel ridurre l'appetito, l'assunzione di cibo ed il peso corporeo nel ratto;
- studio del ruolo del recettore GABA(B) e del sito di legame specifico per il GHB nella mediazione degli effetti farmacologici del GHB nei ratti GHB-sensitive e GHB-resistant, selezionati geneticamente in questo laboratorio per l'opposta sensibilità al GHB.


ISTITUTO DI NEUROSCIENZE CNR- (MILANO)
La ricerca svolta in questa sede riguarda principalmente le seguenti tematiche:

1.FARMACOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE DELLE CELLULE NERVOSE:
Le ricerche riguardano: FUNZIONAMENTO DELLA SINAPSI: meccanismi di liberazione dei neurotrasmettitori, recettori pre- e post- sinaptici, proteomica della sinapsi. MECCANISMI DI PLASTICITA' SINAPTICA: ruolo dei recettori del glutammato, dei recettori colinergici nicotinici, e delle proteine adattatrici citoscheletriche. BIOLOGIA DELLE CELLULE GLIALI in rapporto alla funzionalità neuronale e all'infiammazione. POLARITA' CELLULARE: rapporti tra microdomini di membrana e funzioni delle proteine di membrana, traffico intracellulare di membrane e proteine, meccanismi di indirizzamento e regolazione del turnover delle proteine. MODELLI di POTENZIAMENTO COGNITIVO e di NEURODEGENERAZIONE NEURONALE. PIATTAFORMA TECNOLOGICA per morfologia funzionale avanzata. PIATTAFORMA INFORMATICA per modelli di laboratorio in silico.
Analisi delle proprietà farmacologiche (a livello molecolare ed in vivo) di farmaci attivi a livello recettoriale.

2. MODULAZIONE RECETTORIALE DEL DIFFERENZIAMENTO CELLULARE: Sono studiati aspetti fondamentali cellulari e molecolari del differenziamento cellulare del controllo delle vie di signalling recettoriale e di espressione di geni sui seguenti modelli sperimentali: cellule neuronali (PC12, neuroni in cultura), gangli simpatici, cervelletto. Temi della ricerca: analisi dei II messaggeri coinvolti nel signalling recettoriale; screening di composti che interferiscono con la proliferazione e/o l'invasività di cellule tumorali; effetti trofico-differenziativi di recettori legati a proteine G (GPCR) sul differenziamento cellulare; studio dei geni regolati da Phox 2a e 2b; definizione dei rapporti fra riconoscimento del target e migrazione neuronale nel cervelletto. Si studieranno i recettori per l'ossitocina e per i peptidi della famiglia del CGRP e i loro effetti sulla proliferazione e/o sul differenziamento cellulari del SN Autonomo e del cervelletto. Si identificheranno elementi regolatori nel contesto dei promotori di Phox2a e 2b per caratterizzare fattori di trascrizione che regolano i promotori dei geni neuronali gangliari, e sul differenziamento della corteccia cerebellare mediato da fattori rilasciati da fibre afferenti extracerebellari.
3. I recettori nicotinici neuronali nuovo bersaglio terapeutico e
diagnostico
recettori colinergici nicotinici (nAChRs) espressi sulla superficie dei neuroni sono una famiglia eterogenea di canali cationici ampiamente distribuiti nel sistema nervoso, la cui attivazione da parte dell'acetilcolina produce numerosi effetti fisiologici tra cui, in particolare, il potenziamento delle funzioni cognitive. Numerosi studi sperimentali ed epidemiologici indicano inoltre che gli agonisti nicotinici hanno effetti neuroprotettivi. Questi recettori rappresentano anche il bersaglio farmacologico di una sostanza d'abuso presente nel fumo di sigarette: la nicotina. Sia l'eterogeneità dei sottotipi recettoriali presenti in vivo, che la mancanza di idonei strumenti farmacologici, hanno reso difficile la caratterizzazione dei sottotipi recettoriali nativi presenti sui neuroni responsabili degli effetti neuroprotettivi e di dipendenza farmacologica della nicotina. Scopo del nostro progetto è di identificare e caratterizzare i sottotipi recettoriali responsabili degli effetti neurotropi ed additivi della nicotina, studiare i meccanismi molecolari che sottendono a questi effetti e sintetizzare nuovi farmaci che possano essere specifici e selettivi per questa classe di recettori.


ISTITUTO DI NEUROSCIENZE CNR- LABORATORIO DI NEUROFISIOLOGIA (PISA)
Affermatosi internazionalmente come centro di ricerca sulla visione, il Laboratorio di Neurofisiologia del CNR di Pisa ha da anni attivato nuovi programmi di ricerca sullo sviluppo e la rigenerazione del sistema nervoso, svolgendo sia ricerca di base che ricerca applicata. Il fronte di ricerca è molto ampio anche nell' approccio tecnologico che accanto ad elettrofisiologia, neuroanatomia, psicofisica e tecniche comportamentali - da sempre patrimonio dell'Istituto - include ora tecnologie di biologia cellulare e molecolare, biochimica e modellistica computazionale e brain imaging. I principali temi di ricerca sono:

1. RICERCA SPONTANEA A TEMA LIBERO :"NUOVA TECNOLOGIA A FIBRE OTTICHE PER LA VISUALIZZAZIONE IN VIVO DELLA ESPRESSIONE GENICA."
Vogliamo sviluppare un metodo per la misura dell'espressione genica in animali vivi non anestetizzati. Il metodo è basato sull'utilizzo di animali transgenici esprimenti un reporter fluorescente dell'espressione genica. Il livello di espressione è riflesso nella concentrazione nel tessuto di un fluoroforo. La fluorescenza è letta remotamente mediante una sonda endoscopica. In questo momento stiamo utilizzando una linea di topi transgenici esprimenti la proteina verde fluorescente sotto il controllo del promoter di fos. Questo è un gene immediato espresso durante apprendimento e memoria.

2. PLASTICITA' E INVECCHIAMENTO DEL SISTEMA NERVOSO
La commessa si articola su temi strettamente correlati, sia per
argomenti che per i modelli sperimentali impiegati:
1) Meccanismi molecolari, cellulari e integrati della plasticità del
Sistema Nervoso Centrale (SNC): Plasticità corticale in vivo ed in vitro;
effetti dell'esperienza visiva, dell'arricchimento ambientale, influenza delle connessioni callosali.
2) Meccanismi molecolari, cellulari e integrati del differenziamento e
sviluppo del SNC:
Biologia cellulare del differenziamento neuronale: la via di trasduzione
del segnale dei metaboliti degli sfingolipidi.
Sviluppo della retina dei mammiferi: effetti di manipolazione genetica e
di manipolazione micro e macro ambientale.
3) Neurobiologia di patologie degenerative correlate allo sviluppo postnatale del SN visivo (retinite pigmentosa, ambliopia). Prospettive terapeutiche associate a trattamenti farmacologici e/o a protocolli di arricchimento ambientale.
4) Organizzazione del sistema visivo dell'uomo: Psicofisica,
elettrofisiologia e FRMI. Meccanismi funzionali della percezione dello spazio esterno e del movimento. Riorganizzazione funzionale dell'area MT in pazienti con lesioni cerebrali perinatali

3. TECNICHE INNOVATIVE DI IMAGING NEURONALE IN VIVO ED IN VITRO
La tematica di ricerca è riassumibile in due linee:
1) sviluppo di nuove tecniche e strumenti per l'imaging ottico
2) applicazione dello imaging ottico funzionale nell'ambito di diversi
esperimenti di biologia cellulare e neurobiologia;
1.a) Completamento dello sviluppo del microscopio 2-fotoni con moduli per
la misura della fluorescenza da campioni spessi (corteccia cerebrale e
nervi sensoriali e motori in vivo, miocardio fetale).
1.b) Sviluppo di software per la ricostruzione e misura tridimensionale
2.a) Studi di imaging cellulare in vivo applicati a modelli di sviluppo e
patologie retiniche
2.b) Studio del metabolismo dei sfingolipidi e loro azione sull'omeostasi
intracellulare del calcio in modelli neuronali.
2.c) Studio della dinamica molecolare e trasduzione della via di ERK1/2
mediante sonde fluorescenti e misure di recupero dal fotospegnimento.
2.d) Studio della fisiologia ed anatomia della retina affetta da
degenerazione ereditaria dei fotorecettori tramite sonde fluorescenti
inserite mediante gene gun
2.e) Studio della plasticità strutturale della corteccia cerebrale
mediante microscopia a 2 fotoni in vivo ed in fettine.
Stato dell'arte

4. NEUROPATOLOGIE: DALL'APPROCCIO MOLECOLARE ALLA EPIDEMIOLOGIA DELLE DEMENZE
Questa commessa raggruppa le ricerche dell' Istituto di Neuroscienze più'
strettamente collegate alle patologie neurodegenerative (in particolare, ictus, demenze, malattia di Alzheimer, epilessia, neuropatologie associate a microdanno vascolare ed ischemia, e glaucoma ed alcune patologie genetiche neurodegenerative). La ricerca spazia dallo studio dei meccanismi molecolari e cellulari dei processi neurodegenerativi, alla individuazione di cause, correlazioni e nuove strategie di intervento nelle patologie umane.

ISTITUTO DI NEUROSCIENZE CNR-(ROMA) : Dal 2010 la sede di Roma fa pare dell'Istituto di biologia cellulare e neurobiologia.