Il cervello immagazzina costantemente nuove esperienze che deve integrare nel groviglio di ricordi esistenti. Sorprendentemente, non sovrascrive le tracce di memoria precedenti nel processo.
Conservare i ricordi
Il primo giorno di scuola: entrare in classe per la prima volta, la sensazione di eccitazione nello stomaco e la gioia di avere uno zaino: sono tutti tipici esempi di ricordi della nostra memoria episodica . Immagazzina episodi personali unici in un ordine temporale e spaziale e li collega a esperienze soggettive.
In uno studio condotto presso l’Institut für Neuroinformatik della Facoltà di informatica dell’Università della Ruhr di Bochum, in Germania, un team guidato dal professor Laurenz Wiskott ha sviluppato un nuovo modello informatico della memoria episodica, compiendo così notevoli progressi nella comprensione dell’ippocampo, la regione del cervello fondamentale per la formazione di nuovi ricordi episodici.
Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista PLOS ONE.
La memoria episodica è una base importante per la nostra storia di vita personale. Ci aiuta a formare la nostra identità immagazzinando e collegando esperienze ed eventi passati nel giusto ordine.
“Ciò avviene attraverso cambiamenti nelle connessioni tra le cellule nervose nel nostro cervello”, spiega Laurenz Wiskott.
“Un fenomeno finora inspiegato è come il cervello umano riesca a effettuare questi cambiamenti senza dimenticare altri ricordi, nonostante l’esperienza venga osservata solo una volta e quindi non possa essere integrata lentamente e attentamente nello schema elettrico delle cellule nervose.”
L’innovativo modello computerizzato dei ricercatori di Bochum consente di ricreare esattamente questa capacità naturale del cervello umano: memorizzare in modo affidabile le sequenze dopo una singola presentazione, senza distruggere i ricordi precedenti.
Il modello si concentra sui principi di auto-organizzazione nell’ippocampo e si basa sulla teoria CRISP del professor Sen Cheng, anche lui ricercatore presso la Ruhr University Bochum. L’abbreviazione sta per Content Representation, Intrinsic Sequences e Pattern Completion.
In particolare, il modello ridefinisce la funzione della cosiddetta regione CA3 nell’ippocampo. “In precedenza, si supponeva che i ricordi episodici fossero immagazzinati direttamente nella rete CA3”, afferma il primo autore, il dott. Jan Melchior.
“Tuttavia, ora utilizziamo la regione CA3 solo come una sorta di punto di ancoraggio per la memoria. L’archiviazione avviene nelle regioni che vengono prima e dopo CA3.
Per raggiungere questo obiettivo, il team di ricerca ha addestrato la regione CA3 nel proprio modello con informazioni preliminari e, quindi, in senso figurato, ha creato una libreria ben organizzata in CA3.
“Quando vengono aggiunti nuovi libri, ovvero nuove esperienze, la biblioteca non deve essere completamente riorganizzata. Invece, i nuovi libri vengono aggiunti alla struttura esistente e collegati agli scaffali e alle categorie esistenti”, continua Jan Melchior. Ciò consente di risparmiare tempo e mantiene la biblioteca ben organizzata.
La regione CA3 rimane stabile nel modello e può funzionare in modo efficiente senza la necessità di adattare costantemente la sua struttura interna. Ciò rende l’elaborazione e l’archiviazione delle informazioni più rapide e affidabili. I cambiamenti neurali durante il processo di apprendimento si verificano esclusivamente nelle regioni adiacenti.
I risultati della simulazione hanno convinto i ricercatori. “Continuo a considerare sorprendente la robustezza del modello”, afferma Laurenz Wiskott.
“Anche in caso di segnali incompleti o errati, una singola presentazione di una sequenza di pattern può essere memorizzata, ricordata e recuperata in modo affidabile.”
“Il modello funziona non solo con sequenze generate artificialmente, ma anche con numeri scritti a mano e immagini naturali”, aggiunge Jan Melchior. “Può anche migliorarsi senza input aggiuntivi riproducendo ripetutamente ciò che ha imparato”.
Come si formano i ricordi nel cervello
Fin dalla loro scoperta negli anni ’90, le cellule direzionali della testa nel cervello sono state definite “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.
Ora un team di neuroscienziati dell’Università di Tubinga ha scoperto che le cellule direzionali della testa nei topi fanno di più. Potrebbero essere coinvolte nella trasmissione di informazioni sensoriali ed emozionali che vengono utilizzate per formare ricordi di esperienze, chiamate “memoria episodica”.
Il team di ricerca, guidato dal professor Andrea Burgalossi dell’Istituto di neurobiologia e del Werner Reichardt Center for Integrative Neuroscience (CIN), ha pubblicato il proprio studio sulla rivista Nature Neuroscience .
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 vengono riunite in una regione del cervello, l’ippocampo. Questa elaborazione è fondamentale per trasformare le percezioni sensoriali fugaci in ricordi duraturi.
“L’ippocampo è una specie di curatore neurale che integra le informazioni”, afferma Burgalossi. “Durante un’esperienza, nell’ippocampo viene creata una traccia di memoria per quell’episodio della nostra vita”.
Per comprendere più precisamente da dove le informazioni sensoriali entrano nell’ippocampo, il team di ricerca si è concentrato su una delle principali strutture di input nel cervello, il talamo anteriore.
“Sappiamo da decenni che questa zona 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 delle autrici principali dello studio.
Quando gli scienziati registrarono per la prima volta l’attività delle cellule nervose nel talamo anteriore dei roditori negli anni ’90, scoprirono che le cellule di direzione della testa erano localizzate lì. “In precedenza, si supponeva che queste codificassero solo la direzione della direzione dell’animale nel suo ambiente”, afferma Preston-Ferrer. “Ma ora i nostri ultimi esperimenti mostrano che questa idea fornisce un quadro incompleto”.
Quando il team di ricerca di Tubinga ha registrato l’ attività elettrica nel cervello del topo, ha scoperto che le cellule direzionali della testa nel talamo si attivavano quando esponevano il topo a stimoli sensoriali.
“Nel caso di un suono riprodotto, così come nel caso di un baffo tattile sul muso del topo toccato, solo le cellule di direzione della testa sono state attivate in modo specifico e affidabile e con un ritardo notevolmente breve”, afferma Giuseppe Balsamo, ricercatore del CIN e coautore dello studio. “Siamo rimasti sorpresi, poiché si era supposto per decenni 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 direzionali della testa devono avere una funzione speciale”, afferma il ricercatore CIN e coautore dello studio, il dott. Eduardo Blanco-Hernandez.
“La loro funzione deve andare oltre l’agire come una bussola interna”. Le cellule direzionali della testa hanno anche risposto con un’attività aumentata agli stati di eccitazione, inclusi 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 molto più vividamente che in uno stato passivo e non coinvolto”, afferma Blanco-Hernandez.
Nel complesso, i nuovi risultati indicano che le cellule direzionali della testa nel talamo potrebbero costituire una porta d’accesso fondamentale per le informazioni sensoriali, di attenzione e di eccitazione che entrano nel sistema della 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”, afferma Burgalossi. “In base al nostro lavoro, crediamo che la bussola interna rappresenti un nodo chiave in questo processo”. Se questo nodo possa essere influenzato, ad esempio per scopi terapeutici, per formare e recuperare meglio i ricordi, richiederà ulteriori ricerche.
I neuroni che agiscono come “colla” nel cervello per richiamare i ricordi
Gli scienziati hanno scoperto nuove informazioni sul modo in cui il nostro cervello immagazzina i ricordi episodici, un tipo di memoria cosciente a lungo termine di un’esperienza precedente, che potrebbero rivelarsi fondamentali per lo sviluppo di nuovi dispositivi neuroprotesici in grado di aiutare i pazienti con problemi di memoria, come l’Alzheimer e la demenza.
Il nuovo studio, condotto dall’Università di Glasgow, in collaborazione con l’Università di Birmingham e l’Università di Erlangen, ha utilizzato elettrodi speciali, impiantati direttamente nel cervello di pazienti epilettici che necessitavano di un intervento chirurgico, per consentire agli scienziati di osservare l’attività dei singoli neuroni nella regione dell’ippocampo del cervello.
L’ippocampo è una zona difficile da studiare, a causa della sua posizione profonda nel cervello; tuttavia, quest’area è fondamentale per la nostra memoria, in quanto funge da bibliotecario della biblioteca della memoria nel nostro cervello.
Nella vita di tutti i giorni , l’ippocampo aiuta il nostro cervello a scattare istantanee di esperienze, per conservarle per un uso successivo, ospitando neuroni che conservano una registrazione di cosa è successo, quando e dove. Come un bibliotecario, l’ippocampo ci indirizza verso dove sono immagazzinati i ricordi nella neocorteccia del cervello, simile a guidarci verso lo scaffale giusto senza conoscere il contenuto del libro.
Quando impariamo qualcosa di nuovo, l’informazione viene prima elaborata nella neocorteccia e poi collegata a gruppi specifici di neuroni nell’ippocampo, prima di formare quello che viene chiamato un assemblaggio neurale che rappresenta un ricordo.
In questo studio, la cui pubblicazione è prevista su Nature Human Behaviour e attualmente disponibile sul server di preprint bioRxiv , condotto dal Dott. Luca Kolibius, è stato chiesto ai pazienti di formare ricordi di coppie o terzine di immagini. Le immagini erano composte da animali, volti di personaggi famosi e luoghi popolari (ad esempio, un gabbiano abbinato a Brad Pitt e al Taj Mahal). I pazienti hanno utilizzato storie per collegare le diverse immagini per formare un ricordo coerente e in seguito è stato chiesto loro di ricordare le immagini quando veniva loro presentata un’immagine (ad esempio, un gabbiano).
Il team di ricerca, guidato dal professor Simon Hanslmayr, ha analizzato i tassi di attivazione dei neuroni durante la fase di formazione e recupero della memoria e ha identificato neuroni che hanno aumentato i loro tassi di attivazione per singoli eventi durante la formazione e il richiamo della memoria. Questi neuroni, che hanno chiamato neuroni specifici dell’episodio, sembrano riattivare questo assemblaggio neurale quando richiamiamo un ricordo, innescando il resto dell’assemblaggio e riaccendendo completamente il ricordo.
I ricercatori ritengono che i neuroni scoperti in questo studio rappresentino la “colla” che terrà traccia di tutti gli elementi di una memoria episodica insieme, vale a dire, cosa è successo dove e quando, e quindi ha il potenziale per informare lo sviluppo di protesi neurali per aiutare a trattare i problemi di memoria nei pazienti. Ad esempio, potrebbe essere sviluppato un dispositivo che stimola questi neuroni durante il recupero della memoria per aiutare a richiamare i ricordi.
Il professor Hanslmayr, dell’Università di Glasgow, ha affermato: “Siamo incredibilmente entusiasti delle nostre scoperte perché si è ipotizzato che i neuroni che si comportano in questo modo esistano nell’ippocampo umano da molto tempo, ma questa è la prima volta che li osserviamo effettivamente. Il nostro prossimo passo sarà quello di testare se la stimolazione di questi neuroni può innescare il richiamo dei ricordi, il che dimostrerebbe la causalità. In questo modo, questa ricerca potrebbe portare allo sviluppo di dispositivi che possono aiutare coloro che soffrono di problemi di salute correlati alla memoria”.
Il dott. Kolibius afferma: “I neuroni che abbiamo scoperto agiscono essenzialmente come una guida della memoria del nostro cervello , aiutandoci ad accedere e recuperare i nostri ricordi più cari, come un bibliotecario che ci guida al libro giusto sullo scaffale; quindi, scoprire di più su come funzionano è allo stesso tempo emozionante e importante”.
