Induzione di plasticità sinaptica nel circuito cerebellare in vivo

La corteccia cerebellare riceve due tipi di input eccitatori, le MFs e le CFs, che determinano l'attività delle PCs, l'unica uscita della corteccia cerebellare. Le MFs e le CFs prendono origine da strutture diverse a livello del cervelletto e hanno ruoli funzionali diversi. Entrambi i tipi di fibre afferenti inviano collaterali eccitatorie ai nuclei cerebellari profondi; queste vie collaterali attivano i neuroni dei nuclei profondi e formano il circuito cerebellare primario. Questo circuito primario viene a sua volta modulato dall'azione inibitoria della corteccia cerebellare, influenzata dagli stessi input.
Le MFs costituiscono il principale sistema afferente. Esse prendono origine da molte regioni del SNC, comprendente il nervo e i nuclei vestibolari, il midollo spinale, la formazione reticolare, i nuclei trigeminali e la corteccia cerebrale attraverso la via ponto-cerebellare. Queste fibre entrano attraverso i peduncoli cerebellari medio e superiore e inviano collaterali ai nuclei cerebellari profondi prima di ramificarsi nella sostanza bianca. Le MFs influenzano indirettamente le PCs attraverso sinapsi sulle GrCs, che sono interneuroni eccitatori, all'interno dei glomeruli cerebellari (Chan-Palay et al., 1977). Una MF può avere venti – trenta contatti con GrCs. Gli assoni dei granuli, generalmente non mielinizzati, salgono nello ML, formando contatti sinaptici con molte PCs. Questi assoni poi si biforcano e danno origine alle PFs. Ogni PC riceve input convergenti da circa 150000 PFs di GrCs, che raccolgono input da molte MFs (Harvey and Napper, 1991). Questo accade perché le PFs, che si estendono per molti millimetri lungo l'asse maggiore dei folia cerebellari (fino a 5 mm nei ratti; Pitchipornchai et al., 1994), intersecano i dendriti di molte migliaia di PCs che sono orientate perpendicolarmente alle PFs. Perciò input di singole MFs influenzano indirettamente un grande numero di PCs.

Le CFs prendono origine da un'unica struttura posta nel bulbo, il nucleo olivare inferiore (De Zeeuw et al., 1998). I principali input all'oliva inferiore originano nel midollo spinale, nel tronco dell'encefalo, nei nuclei cerebellari e nella corteccia motoria. Gli assoni olivari sono lunghi, sottili (1 – 3 μm) e mielinizzati. Il nome "fibre rampicanti" deriva dalla morfologia delle loro terminazioni a livello dei neuroni del Purkinje. Entrando nella massa cerebellare, esse inviano collaterali ai nuclei cerebellari e proseguono verso la corteccia cerebellare dopo essersi ramificate in molte fibre sottili. Le fibre perdono il loro rivestimento mielinico quando penetrano nello GCL prima di incontrare nello ML i dendriti delle PCs, dove fanno numerosi contatti sinaptici su ogni dendrite. Le sinapsi delle CFs sono tutte eccitatorie. Ogni CF contrae sinapsi solo con uno – dieci neuroni del Purkinje e ogni neurone del Purkinje riceve connessioni sinaptiche da una sola CF. Questa connessione sinaptica è una delle più potenti del sistema nervoso. Un singolo potenziale d'azione di una CF evoca potenziali postsinaptici molto ampi, che determinano una scarica ad alta frequenza di potenziali d'azione nelle PCs; questa scarica è stata denominata complex spike (spike complesso, CS). Al contrario, l'input della MF trasmesso dalle PF causa un EPSP più piccolo. È richiesta la sommazione spaziale e temporale di questi più piccoli potenziali postsinaptici affinché la PC produca un singolo potenziale d'azione chiamato simple spike (spike semplice, SS; Barbour, 1993).