Studio elettrofisiologico di modificazioni a lungo termine della forza della trasmissione sinaptica nel sistema nervoso centrale

Il nucleo accumbens (NAc), il maggior componente del sistema mesocorticolimbico, �� coinvolto nella mediazione delle propriet�� di rinforzo e nella dipendenza da diverse sostanze d���abuso. Le sinapsi glutammatergiche del NAc possono esprimere plasticit��, tra cui una forma di depressione a lungo termine (LTD) dipendente dagli endocannabinoidi (eCB). Recenti studi hanno dimostrato un���interazione tra le vie di segnalazione del sistema eCB e quelle di altri sistemi recettoriali, compreso quello serotoninergico (5-HT); la vasta colocalizzazione di recettori serotoninergici e CB1 nel NAc suggerisce la possibilit�� di un���interazione tra questi due sistemi. In questo studio abbiamo riscontrato che una stimolazione a 4 Hz per 20 minuti (LFS-4Hz) delle afferenze glutammatergiche in fettine cerebrali di ratto, induce una nuova forma di eCB-LTD nel core del NAc, che richiede l���attivazione dei recettori CB1 e 5-HT2 e l���apertura dei canali del Ca2+ voltaggio-dipendenti di tipo L. Inoltre abbiamo valutato che l���applicazione esogena di 5-HT (5 ���M, 20 min) induce una LTD analoga (5-HT-LTD) a livello delle stesse sinapsi, che richiede l���attivazione dei medesimi recettori e l���apertura degli stessi canali del Ca2+; LFS-4Hz-LTD e 5-HT-LTD sono reciprocamente saturanti. Questi risultati suggeriscono che la LFS-4Hz induce il rilascio di 5-HT, che si lega ai recettori 5-HT2 a livello postsinaptico incrementando l���influsso di Ca2+ attraverso i canali voltaggio-dipendenti di tipo L e la produzione e il rilascio di 2-arachidonoilglicerolo; l���eCB viaggia a ritroso e si lega al recettore CB1 a livello presinaptico, causando una diminuzione duratura del rilascio di glutammato, che risulta in una LTD. Queste osservazioni possono essere utili per comprendere i meccanismi neurofisiologici che sono alla base della dipendenza da sostanze d���abuso, della depressione maggiore e di altre malattie psichiatriche caratterizzate dalla disfunzione della neurotrasmissione di 5-HT nel NAc.

Graphene-based bioelectronic interfaces and devices and interpretative models targeting glial cells

Bioelectronic interfaces have significantly advanced in recent years, offering potential treatments for vision impairments, spinal cord injuries, and neurodegenerative diseases. However, the classical neurocentric vision drives the technological development toward neurons. Emerging evidence highlights the critical role of glial cells in the nervous system. Among them, astrocytes significantly influence neuronal networks throughout life and are implicated in several neuropathological states. Although they are incapable to fire action potentials, astrocytes communicate through diverse calcium (Ca2+) signalling pathways, crucial for cognitive functions and brain blood flow regulation. Current bioelectronic devices are primarily designed to interface neurons and are unsuitable for studying astrocytes. Graphene, with its unique electrical, mechanical and biocompatibility properties, has emerged as a promising neural interface material. However, its use as electrode interface to modulate astrocyte functionality remains unexplored. The aim of this PhD work was to exploit Graphene-oxide (GO) and reduced GO (rGO)-coated electrodes to control Ca2+ signalling in astrocytes by electrical stimulation. We discovered that distinct Ca2+dynamics in astrocytes can be evoked, in vitro and in brain slices, depending on the conductive/insulating properties of rGO/GO electrodes. Stimulation by rGO electrodes induces intracellular Ca2+ response with sharp peaks of oscillations (���P-type���), exclusively due to Ca2+ release from intracellular stores. Conversely, astrocytes stimulated by GO electrodes show slower and sustained Ca2+ response (���S-type���), largely mediated by external Ca2+ influx through specific ion channels. Astrocytes respond faster than neurons and activate distinct G-Protein Coupled Receptor intracellular signalling pathways. We propose a resistive/insulating model, hypothesizing that the different conductivity of the substrate influences the electric field at the cell/electrolyte or cell/material interfaces, favouring, respectively, the Ca2+ release from intracellular stores or the extracellular Ca2+ influx. This research provides a simple tool to selectively control distinct Ca2+ signals in brain astrocytes in neuroscience and bioelectronic medicine.