Sin dalla loro scoperta negli anni ’90, le cellule cerebrali che indicano la direzione della testa sono state chiamate la “bussola interna”. Queste cellule si attivano quando la testa di un animale o di un essere umano punta in una certa direzione e si ritiene che siano importanti per l’orientamento spaziale e la navigazione.
Un team di neuroscienziati dell’Università di Tubinga ha scoperto che le cellule che orientano il cervello nei topi fanno molto più di questo. Possono essere coinvolte nella trasmissione di informazioni sensoriali ed emotive che vengono utilizzate per formare ricordi di esperienze, chiamati “memoria episodica”.
I risultati dello studio sono stati pubblicati su Nature Neuroscience.
Cellule cerebrali: ecco come modulano la memoria episodica
Il gruppo di ricerca sulle cellule cerebrali è stato guidato dal professor Andrea Burgalossi dell’Istituto di Neurobiologia e del Centro Werner Reichardt per le Neuroscienze Integrative (CIN)
Nel mondo esterno dell’esperienza umana, i sensi contribuiscono insieme alla formazione dei ricordi. Lo stimolo visivo di un paesaggio pittoresco, l’eco di una risata, il calore di un abbraccio: tutte queste impressioni sensoriali sono riunite in una regione del cervello, l’ippocampo. Questa elaborazione è fondamentale per trasformare percezioni sensoriali fugaci in ricordi duraturi.
“L’ippocampo è una sorta di curatore neurale che integra le informazioni”, spiega Burgalossi. “Durante un’esperienza si crea nell’ippocampo una traccia di memoria per quell’episodio della nostra vita.”
Per capire più precisamente da dove le informazioni sensoriali entrano nell’ippocampo, il gruppo di ricerca si è concentrato su una delle sue principali strutture di input nel cervello, il talamo anteriore.
“Sappiamo da decenni che quest’area è cruciale per la memoria episodica. I pazienti con danni a questa regione del cervello soffrono di perdita di memoria”, afferma la dott.ssa Patricia Preston-Ferrer, una degli autori principali dello studio sulla funzione delle cellule cerebrali.
Quando gli scienziati registrarono per la prima volta l’attività delle cellule cerebrali nel talamo anteriore dei roditori negli anni ’90, scoprirono che le cellule che indicano la direzione della testa si trovavano lì. “In precedenza, si presumeva che questi codificassero solo la direzione della direzione dell’animale nel suo ambiente”, spiega Preston-Ferrer. “Ma ora i nostri ultimi esperimenti mostrano che questa idea fornisce un quadro incompleto.”
Quando il gruppo di ricerca di Tubinga ha registrato l’ attività elettrica nel cervello del topo, ha scoperto che le cellule cerebrali del talamo che indicano la direzione della testa si attivavano quando esponevano il topo a stimoli sensoriali.
“Quando veniva riprodotto un suono, così come quando veniva toccato un baffo tattile sul muso del topo, solo le cellule cerebrali di direzione della testa venivano attivate in modo mirato e affidabile e con un ritardo notevolmente breve”, spiega il ricercatore CIN e coautore dello studio Giuseppe Balsamo. “Siamo rimasti sorpresi, poiché per decenni si era ipotizzato che questi neuroni non rispondessero agli stimoli sensoriali.”
Gli esperimenti hanno rivelato che nel talamo anteriore solo le cellule direzionali della testa rispondevano agli stimoli sensoriali. “Questo ci dice che le cellule cerebrali devono avere una funzione speciale”, afferma il dottor Eduardo Blanco-Hernandez, ricercatore del CIN e coautore dello studio.
“La loro funzione deve andare oltre quella di bussola interna.” Le cellule che controllano la direzione della testa hanno inoltre risposto con una maggiore attività agli stati di eccitazione, compresi i contatti sociali, come l’incontro con un altro topo.
“È noto che l’attenzione e le emozioni hanno una grande influenza sulla formazione dei ricordi e sulla loro qualità. In tali situazioni, ricordiamo in modo molto più vivido che in uno stato passivo e non coinvolto”, afferma Blanco-Hernandez.
Nel complesso, i nuovi risultati indicano che le cellule cerebrali direzionali nel talamo potrebbero costituire un passaggio chiave per le informazioni sensoriali, di attenzione e di eccitazione che entrano nel sistema di memoria episodica.
“Per capire come si forma una traccia di memoria, dobbiamo conoscere i percorsi e le cellule nervose coinvolte che trasmettono le informazioni di base all’ippocampo”, spiega Burgalossi. “Sulla base del nostro lavoro, crediamo che la bussola interiore rappresenti un nodo chiave in questo processo.” Se questo nodo possa essere influenzato, ad esempio per scopi terapeutici, al fine di formare e recuperare meglio i ricordi, richiederà ulteriori ricerche.
La memoria a lungo termine di luoghi specifici è immagazzinata nel cervello nelle cosiddette cellule di luogo. Un team di neuroscienziati guidato dal dottor Andrea Burgalossi del Centro Werner Reichardt per le Neuroscienze Integrative (CIN) dell’Università di Tubinga ha ora riprogrammato tali cellule in topi in libertà, inviando impulsi elettrici direttamente ai singoli neuroni.
Dopo la stimolazione, queste cellule cerebrali sono state riprogrammate in modo che la loro attività legata al luogo si spostasse nel luogo in cui veniva eseguita la stimolazione.
Come facciamo a sapere cosa ci è successo ieri o l’anno scorso? Come riconosciamo i luoghi in cui siamo stati, le persone che abbiamo incontrato? Il nostro senso del passato, che è sempre abbinato al riconoscimento di ciò che è presente attualmente, è probabilmente l’elemento costitutivo più importante della nostra identità.
Inoltre, dal non arrivare in ritardo al lavoro perché non riuscivamo a ricordare dov’era l’ufficio, al sapere chi sono i nostri amici e la nostra famiglia, la memoria a lungo termine è ciò che ci mantiene funzionali nella nostra vita quotidiana.
Non sorprende quindi che il nostro cervello si affidi ad alcune rappresentazioni molto stabili per formare ricordi a lungo termine. Un esempio sono i ricordi dei luoghi che abbiamo visto. A ogni nuovo posto, il nostro cervello abbina un sottoinsieme di neuroni nell’ippocampo (un’area cerebrale centrale cruciale per la formazione della memoria ): posizionano le cellule cerebrali .
Si pensa che la memoria di un dato ambiente sia immagazzinata come una combinazione specifica di attività delle cellule-luogo nell’ippocampo: la mappa dei luoghi. Le mappe dei luoghi rimangono stabili finché ci troviamo nello stesso ambiente, ma riorganizzano i loro schemi di attività in luoghi diversi, creando una nuova mappa dei luoghi per ciascun ambiente.
Ad oggi, i meccanismi che sono alla base di questa riorganizzazione dell’attività cellulare sono rimasti in gran parte inesplorati. Nel 2016 i neuroscienziati di Tubinga, guidati dal dottor Andrea Burgalossi, avevano dimostrato che le cellule silenziose e dormienti possono essere attivate dalla stimolazione elettrica e diventare cellule attive nel cervello dei ratti.
Basandosi su questo lavoro, il team ha continuato a studiare i modi in cui si formano le cellule di luogo e ora ha presentato le prove che le cellule cerebrali di luogo non sono così stabili come si pensava: possono, infatti, persino essere riprogrammate.
L’impianto, unico al mondo, utilizza la registrazione e la stimolazione iuxtacellulare – un metodo in cui un elettrodo sottile come un capello misura e induce minuscole correnti lungo le singole cellule cerebrali – in animali vivi che vagano liberamente nell’arena del laboratorio.
Con questa configurazione, i ricercatori hanno preso di mira singole cellule nel cervello di un topo e le hanno stimolate in una posizione diversa da dove erano originariamente attive. In un numero significativo di casi, hanno scoperto che l’attività delle cellule del luogo poteva essere “riprogrammata”
Le cellule cerebrali smettevano di attivarsi nelle posizioni originali e diventavano attive nell’area in cui veniva erogata la stimolazione elettrica. In altre parole, le cellule del luogo riprogrammate, da ora in poi, diventerebbero attive ogni volta che il topo si spostava nella posizione dello stimolo, ma rimarrebbero silenziose nella vecchia posizione.
“Abbiamo sfidato l’idea che le cellule di luogo siano entità stabili. Anche nello stesso ambiente possiamo riprogrammare i singoli neuroni stimolandoli in punti specifici”, spiega Andrea Burgalossi. “Questa scoperta fornisce informazioni sui meccanismi di base che portano alla formazione di nuovi ricordi”. Nel prossimo futuro, gli scienziati sperano di essere in grado di riprogrammare più neuroni contemporaneamente, in modo da testare la plasticità delle mappe geografiche nel loro insieme.
“Finora abbiamo riprogrammato singoli neuroni e sarebbe affascinante scoprire quale influenza questo ha sulle mappe dei luoghi nel loro insieme. Ci piacerebbe molto sapere qual è il numero minimo di cellule cerebrali che dobbiamo riprogrammare per modificare una vera e propria traccia di memoria nel cervello.”