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L’ictus ischemico rappresenta una delle principali cause di morte e di disabilità ed è causato da una temporanea o permanente riduzione nell’afflusso sanguigno a livello cerebrale. Lo studio dei meccanismi di plasticità strutturale e molecolare che si verificano dopo lesioni ischemiche cerebrali rappresenta una grande sfida nel campo delle neuroscienze poiché il recupero funzionale dipende dalla capacità dei circuiti nervosi di riorganizzarsi in modo adattivo alla lesione. La capacità dei circuiti neurali di modificarsi strutturalmente e funzionalmente in risposta all’esperienza è definita “plasticità”. In seguito a lesioni cerebrali tale meccanismo assume una caratteristica di natura compensatoria poiché le aree non affette dal danno ischemico assumono e vicariano la funzione persa dell’area lesionata. Tuttavia è stato visto che ciò non sempre correla con il completo recupero neurologico. Infatti, i meccanismi di plasticità neurale, e di conseguenza il grado e l’entità del recupero funzionale sono influenzati da fattori come l’età dell’insorgenza della lesione, l’area cerebrale interessata dal danno e l’estensione della lesione. L’età dell’occorrenza dell’ictus ischemico è particolarmente rilevante poiché la plasticità del sistema nervoso centrale (SNC) declina durante lo sviluppo. Da ciò segue che in caso di lesione ischemiche a carico del SNC adulto, il recupero funzionale potrebbe essere promosso bloccando i fattori molecolari che concorrono a rendere limitata la plasticità in età adulta. D'altra parte, il recupero dopo una lesione in età giovanile sarebbe facilitata dall’elevato potenziale plastico del cervello immaturo. Tuttavia, diversi studi clinici e sperimentali dimostrano che l’elevata plasticità cerebrale del cervello immaturo non basta a favorire un recupero della funzione persa, ma piuttosto una lesione ischemica precoce comporta l’insorgenza di deficit permanenti e difficili da rimediare. Ciò dipende dall’instaurarsi di forme di plasticità “maladattiva” che rende conto del fatto che i circuiti motori non sono completamente sviluppati al momento dell’evento ischemico. Durante lo sviluppo del sistema motorio si realizza una competizione tra le proiezioni corticospinali (CST) ipsilaterale e contralaterale che, in condizioni fisiologiche, si conclude col vantaggio delle seconde entro i primi anni di vita, secondo un meccanismo di plasticità attività-dipendente. In caso di una lesione ischemica corticale precoce si determina una riduzione nell’attività dell’emisfero infartuato, e quindi uno sbilanciamento dell’attività interemisferica che favorisce le proiezioni ipsilaterali all’emisfero sano rispetto a quelle controlaterali, sconvolgendo dunque il normale pattern di sviluppo delle vie motorie. Si conosce ancora poco circa i meccanismi di recupero funzionale che possono essere messi in atto in questo specifico momento dello sviluppo e che possono influenzare l’outcome motorio e ancora poco si sa sulle possibili variabili che potrebbero essere modificate da un intervento terapeutico. In questo contesto, l'uso di modelli animali di ictus ischemico corticale precoce sarebbe estremamente utile per una migliore comprensione dei meccanismi di plasticità post-lesionale dal punto di vista anatomico, funzionale e molecolare al fine di stabilire nuovi approcci terapeutici. Al momento non sono però disponibili modelli animali di ictus ischemico focale precoce e in particolare, mancano modelli murini di ictus focale motorio precoce. Nel presente studio ho caratterizzato un modello precoce di ischemia focale utilizzando l’iniezione intracorticale di un potente vasocostrittore, l’endotelina-1 (ET-1) nell’area motoria della zampa anteriore in ratti giovani di età P21. Nel ratto quest’epoca postnatale corrisponde al momento di massima plasticità e di capacità di rimodellamento della via CST, che si realizza con una massiccia eliminazione, “pruning”, delle sinapsi delle fibre CST ipsilaterali a livello spinale, e con una contestuale assunzione del controllo motorio controlaterale dei motoneuroni spinali da parte del fascio CST crociato. Gli effetti della lesione ischemica precoce sono stati valutati da un punto di vista comportamentale e a livello anatomico. Il protocollo di induzione dell’ictus mediante ET-1 genera una lesione focale riproducibile che causa deficit permanenti della motilità generale e fine della zampa contralaterale all’emisfero lesionato. Lo scopo successivo è stato validare la possibilità di utilizzare tale modello per modulare l’outcome motorio conseguente alla lesione. Gli effetti di un training riabilitativo specifico e precoce sul recupero delle funzioni motorie generali e fini sono stati valutati in follow-up, mediante lo Staircase test, in età adulta (P60). Questo trattamento riabilitativo promuove un recupero completo della motilità fine della zampa lesionata e tale recupero è associato a meccanismi di plasticità compensatoria a carico della via CST intatta e proveniente dall’emisfero contralesionale. In particolare, un aumentato sprouting assonale di questa via è stato osservato a livello sottocorticale, nel nucleo rosso. Il paradigma riabilitativo utilizzato tuttavia non migliora le performance motorie generali, suggerendo dunque un’efficacia del training di tipo “uso-dipendente” e non generalizzata sulle altre funzioni motorie, dove solo i circuiti neurali coinvolti con la motilità fine (reaching) vengono potenziati.
Il modello è stato anche strumentale per lo studio di un intervento farmacologico neuroplastico e neuroprotettivo. L'effetto di un 7,8 Dihydroxyflavone (DHF), un agonista specifico del recettore del BDNF, il Tropomyosin related kinase B (TrkB), è stato valutato sul recupero motorio fine. I nostri dati comportamentali indicano che il trattamento sistemico con DHF migliora il deficit della motilità fine di reaching e ciò dipende da un aumentato signaling di sopravvivenza, la via di PI3K/Akt, a livello dei neuroni corticali, suggerendo dunque un azione neuro protettiva del farmaco nel contrastare l’effetto della lesione.
Inoltre, per creare un modello di ictus ischemico perinatale si è scelto di applicare lo stesso modello di induzione della lesione in ratti di età P14, quando inizia la fase di rimodellamento dei circuiti motori corticospinali. L’outcome motorio di ratti lesionati in epoca perinatale è stato confrontato con quello di animali lesionati in epoca giovanile, a P21. I dati comportamentali indicano una tendenza, sebbene non significativa, a un peggioramento delle funzioni motorie generali e fini in ratti iniettati a P14 vs gli animali lesionati a P21. Inoltre, la lesione a P14 sembra provocare deficit dell’apprendimento motorio nel modello di ictus perinatale, suggerendo quindi l’esistenza di una correlazione tra il “timing” della lesione e l’outcome motorio.

Infine l’ultimo obiettivo del lavoro è stato quello di studiare i meccanismi di plasticità sinaptica indotti da un trattamento farmacologico con condroitinasi ABC (ChABC) direttamente nell’area perilesionale (penumbra) in un modello di ictus ischemico focale nell’animale adulto. Nel caso di lesioni ischemiche nell’adulto è stato suggerito che la dimensione della lesione influenza l’estensione dei rimodellamenti plastici dei circuiti neurali. In particolare, in caso di lesioni focali, le aree perilesionali sopravvissute al danno possono essere investite da meccanismi di plasticità. Comunque, la questione se i trattamenti che agiscono esclusivamente sulla plasticità corticale delle aree perilesionali, come la penombra ischemica, possano promuovere un miglioramento comportamentale rimane irrisolta. In questo caso la plasticità ipsilesionale è stata promossa farmacologicamente mediante iniezioni locali nella penombra ischemica di condroitinasi ABC (ChABC). Questo trattamento degrada le componenti della matrice extracellulare, i condroitinsolfato proteoglicani (CSPGs), responsabili di limitare la plasticità in termini di crescita neuritica e sprouting assonale nel cervello adulto. In questo esperimento ho esplorato i meccanismi di recupero funzionale dell’arto anteriore lesionato in risposta al trattamento farmacologico. L’efficacia del trattamento in acuto è stata confrontata con quella dello stesso trattamento somministrato tardivamente. Sembra che la finestra temporale terapeutica di ChABC non è così rigida poiché in entrambe i casi è stato osservato un buon recupero funzionale. Inoltre è stato studiato l'effetto combinato della ChABC e di un training motorio somministrato tramite il Single pellet Reaching Test (SRT). I dati dimostrano che l’azione combinata di un trattamento farmacologico e di un approccio riabilitativo promuove un migliore recupero funzionale e contestualmente l'attivazione di plasticità sinaptica nell’area perilesionale. Il circuito talamo-corticale eccitatorio è coinvolto in questo recupero funzionale. Infatti l’analisi immunoistochimica dei marcatori di plasticità sinaptica eccitatoria e inibitoria, vGLUT1 (trasportatore-1 vescicolare del glutammato delle connessioni eccitatorie intra corticali), VGlut2 (trasportatore-2 vescicolare del glutammato delle connessioni eccitatorie talamo corticali) e vGAT (trasportatore vescicolare del GABA delle connessioni inibitorie) ha dimostrato una maggiore attivazione di vGlut2 nella zona perilesionale trattata con ChABC ma solo nei ratti addestrati. Quindi, possiamo concludere che la combinazione di un trattamento farmacologico con un intervento fisico è in grado di ripristinare e preservare la motilità fine dopo lesione ischemica corticale.