Una via eccitatoria monosinaptica del tronco cerebrale che guida le attività locomotorie e le risposte cardiovascolari simpatiche

Jan 03, 2024

Nature Communications volume 13, numero articolo: 5079 (2022) Citare questo articolo

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L’esercizio che include la locomozione richiede adeguati aggiustamenti cardiovascolari autonomici per soddisfare le richieste metaboliche dei muscoli in contrazione, tuttavia l’architettura funzionale del cervello alla base di questi aggiustamenti rimane sconosciuta. Qui, dimostriamo i circuiti del tronco encefalico che svolgono un ruolo essenziale nella trasmissione dei segnali motori volitivi, cioè il comando centrale, per guidare le attività locomotorie e le risposte cardiovascolari simpatiche. I neuroni locomotori mesencefalici nei ratti trasmettono segnali eccitatori guidati dal comando centrale sul midollo ventrolaterale rostrale almeno parzialmente attraverso processi glutammatergici, per attivare sia il sistema nervoso somatomotorio che quello simpatico. L’eccitazione optogenetica di questa via monosinaptica suscita risposte locomotorie e cardiovascolari come osservato durante l’esercizio di corsa, mentre l’inibizione della via sopprime le attività locomotorie e l’aumento della pressione sanguigna durante la corsa volontaria senza influenzare l’omeostasi cardiovascolare basale. Questi risultati dimostrano un importante percorso sottocorticale che trasmette segnali di comando centrali, fornendo una visione chiave del meccanismo del circuito centrale richiesto per il condizionamento fisiologico essenziale per massimizzare la prestazione fisica.

L’esercizio, inclusa la locomozione, che fa parte del comportamento fondamentale nei vertebrati, compreso l’uomo, è accompagnato da aggiustamenti cardiovascolari autonomici che forniscono le risorse metaboliche, come carburante e ossigeno, richieste dalla contrazione dei muscoli scheletrici e quindi aumentano le prestazioni fisiche. Il contributo di un segnale motorio discendente feedforward dal prosencefalo al controllo cardiovascolare è stato suggerito da più di un secolo1,2. Attualmente, questo segnale di feedforward è stato chiamato comando centrale e postulato come attivazione parallela dei sistemi motori somatico e autonomo nel cervello per aumentare contemporaneamente l'attività muscolare insieme alla pressione arteriosa e alla contrattilità cardiaca3. Questo concetto è emerso per la prima volta da uno studio sull'uomo che ha dimostrato che l'entità delle risposte cardiovascolari durante l'esercizio isometrico volontario a tensione muscolare costante era correlata positivamente con la quantità di attivazione del comando centrale che veniva modificata dalle contrazioni riflessive dovute alla vibrazione del tendine sul muscolo agonista o antagonista4. Il comando centrale è accoppiato all'attivazione del sistema nervoso simpatico indipendentemente dal feedback del movimento, come dimostrato dall'aumento delle variabili cardiovascolari durante la locomozione fittizia nei gatti decorticati e paralizzati5 e dalle risposte cardiovascolari esagerate alla contrazione muscolare volontaria nei soggetti umani dopo la paralisi6,7.

La posizione precisa della fonte del comando centrale rimane poco chiara perché il meccanismo del circuito centrale attraverso il quale i segnali di comando centrale suscitano aggiustamenti cardiovascolari autonomici durante l’esercizio deve ancora essere completamente chiarito. Le regioni cerebrali autonome attivate in risposta all'esercizio volontario8,9,10,11,12 o le regioni la cui stimolazione suscita risposte autonomiche o somatomotorie13,14,15,16,17,18 possono essere coinvolte nel comando centrale di controllo della circolazione. Ad esempio, studi sull'uomo che utilizzano tecniche neurochirurgiche hanno suggerito che i circuiti mesencefalici compreso il nucleo subtalamico (STN) e il grigio periacqueduttale (PAG), le cui attività neuronali sono elevate durante l'esercizio volitivo11, configurano i circuiti sottocorticali per trasmettere segnali di comando centrali19 come evidenziato dall'effetto pressorio di stimolazione elettrica del STN17 o del PAG18 dorsale/laterale in pazienti svegli con malattia di Parkinson o dolore cronico. Tuttavia, non sono stati dimostrati i ruoli causali di queste regioni del cervello nei cambiamenti autonomici durante l’esercizio, così come le connessioni funzionali con altre regioni. Anche il substrato cerebrale del comando centrale ha acquisito importanza clinica. L'anomala regolazione cardiovascolare durante l'esercizio in condizioni patologiche, come l'insufficienza cardiaca, aumenta l'intolleranza all'esercizio e il rischio di eventi cardiaci fatali come l'aritmia20. Ciò è causato almeno in parte da una disfunzione del comando centrale21,22, mentre i programmi di esercizi terapeutici per i pazienti migliorano il loro stato funzionale e i loro risultati23.