In uno studio recente pubblicato su Nature, i ricercatori della Stanford University e della Yale University hanno esplorato il ruolo della dopamina nell’interazione tra memoria a breve e a lungo termine negli animali.
Dopamina e memoria
L’apprendimento e la memoria negli insetti sono controllati da una struttura nota come corpo fungiforme, analoga all’ippocampo nei mammiferi.
Sebbene studi precedenti avessero esplorato questo aspetto negli insetti, i ricercatori volevano capire in che modo le risposte innate preesistenti agli stimoli influenzano l’apprendimento di nuove associazioni e come questi ricordi si formano e si mantengono nel tempo.
Medical Xpress ha parlato con il primo autore dello studio, Cheng Huang, professore associato alla Washington University School of Medicine. Parlando di ciò che lo ha spinto a perseguire questa ricerca, ha detto: “Fin dall’infanzia, sono stato affascinato da quanto vividi possano essere i nostri ricordi e da come possano plasmare il comportamento e la personalità di un individuo”.
I ricercatori si sono concentrati sul cervello della Drosophila (moscerino della frutta). Utilizzando una combinazione di tecniche di imaging sperimentale e modelli computazionali, i ricercatori hanno osservato l’attività neurale nei moscerini della frutta mentre venivano sottoposti a esperimenti di condizionamento associativo olfattivo.
Il rilascio di dopamina è stato collegato a esperienze gratificanti, rafforzando il ricordo di quell’esperienza. In sostanza, la dopamina agisce come un segnale che qualcosa di buono è accaduto, rendendolo più facile da ricordare.
Ciò aiuta a codificare nuovi ricordi e a rinforzare i comportamenti appresi, svolgendo un ruolo nella formazione della memoria a breve e lungo termine . Aiuta anche nell’immagazzinamento e nel recupero della memoria, stabilizzando i ricordi nel tempo.
Il prof. Huang e i suoi colleghi ipotizzano che i neuroni dopaminergici nel cervello del moscerino della frutta integrino le informazioni provenienti dalle risposte innate e dalle esperienze apprese con gli stimoli sensoriali.
In altre parole, la dopamina aiuta a elaborare e unificare le informazioni ottenute dalle due fonti, influenzando il modo in cui il cervello risponde agli stimoli sensoriali.
“Il nostro lavoro introduce una nuova concezione delle interazioni tra le aree di memoria a breve e a lungo termine del cervello”, spiega il Prof. Huang
“Le concezioni tradizionali si concentravano sul consolidamento dei sistemi, in cui le memorie residenti in aree di archiviazione a breve termine vengono passate durante l’attività offline ad aree di archiviazione a lungo termine. Qui, scopriamo una diversa interazione tra compartimenti di memoria a breve e lungo termine.”
Per la parte sperimentale dello studio, i ricercatori hanno utilizzato 500 moscerini della frutta, esponendoli a odori diversi. Questi moscerini della frutta sono stati geneticamente modificati per colpire neuroni specifici e manipolarne l’attività.
Alcuni odori sono stati associati a stimoli positivi o negativi (come una ricompensa o una punizione). Questo test verifica quanto bene le mosche possano imparare e ricordare l’associazione tra un odore e il risultato.
Spiegando perché è stata utilizzata la Drosophila, il Prof. Huang ha affermato: “Il cervello della Drosophila fornisce un modello eccellente per comprendere la logica fondamentale e i meccanismi alla base dell’apprendimento e della memoria mediati dalla dopamina”.
“Nonostante abbia un numero significativamente inferiore di neuroni dopaminergici rispetto ai mammiferi, il sistema dopaminergico della Drosophila dimostra funzioni più conservate nei processi di apprendimento e memoria.”
Per misurare la risposta delle mosche a vari stimoli, i ricercatori hanno misurato l’attività neurale (comunicazione tra neuroni) utilizzando l’imaging di tensione.
Questo metodo cattura i segnali elettrici misurando i cambiamenti di voltaggio attraverso la membrana del neurone. Quando un neurone si attiva, si verifica uno spostamento di voltaggio, che può essere ripreso tramite speciali sensori o coloranti.
Per la parte computazionale del loro lavoro, i ricercatori hanno creato un modello del circuito del corpo fungiforme, vincolato sia dal cablaggio del cervello della mosca sia dai loro dati sperimentali di picco, per spiegare e prevedere le dinamiche della memoria.
I ricercatori hanno scoperto che i neuroni dopaminergici nel cervello del moscerino della frutta codificano risposte innate e apprese a ricompense, punizioni e odori, in modo eterogeneo. Questi segnali regolano il modo in cui i ricordi vengono immagazzinati e dimenticati nel cervello.
Quando si formano ricordi a breve termine, si innesca un processo che apre la porta all’indebolimento di alcune connessioni tra le cellule cerebrali, consentendo ai neuroni dopaminergici di elaborare meglio sia gli stimoli innati che quelli appresi, il che a sua volta aiuta a formare ricordi a lungo termine.
“Questa attivazione avviene tramite un’interazione di feedback, per cui i segnali in uscita da un’unità di memoria a breve termine influenzano l’attività in ingresso in un’unità di memoria a lungo termine.”
“Dopo che è stata creata una memoria a breve termine, questa interazione di feedback consente la rapida formazione di una memoria a lungo termine durante ulteriori presentazioni della stessa associazione che ha portato alla memoria a breve termine iniziale”, ha spiegato il Prof. Huang.
Hanno anche scoperto che l’intensità di questa limitazione dipende da una somma lineare delle risposte innate e apprese in precedenza agli stimoli sensoriali.
Inoltre, il modello computazionale ha rivelato come la dopamina media l’interazione tra memoria a breve e a lungo termine. I ricercatori hanno scoperto che la tempistica dell’addestramento all’estinzione della memoria e il significato naturale degli odori influenzano la forza e la persistenza di questi ricordi.
I risultati dello studio rivelano come diverse parti del corpo fungino lavorino insieme per formare la memoria a breve e a lungo termine.
Forniscono una comprensione meccanicistica di come le informazioni innate e apprese interagiscono nel cervello per modellare il comportamento. Inoltre, viene anche rivelato il ruolo della dopamina nella mediazione dell’interazione tra memoria a breve termine e a lungo termine.
“Questo meccanismo potrebbe fornire spunti per identificare circuiti simili nei mammiferi. In definitiva, le nostre scoperte potrebbero giovare allo sviluppo di interventi o trattamenti per le malattie associate alla demenza negli esseri umani”, ha affermato il Prof. Huang.
Parlando di come il loro studio potrebbe avere un impatto sul campo delle neuroscienze nel suo complesso, il dott. Huang ha concluso dicendo: “Le implicazioni biologiche dei nostri dati e dei risultati della modellazione sono di vasta portata e potrebbero offrire importanti spunti computazionali sul sistema di memoria dinamica e ispirare nuovi progetti di algoritmi di apprendimento e architetture di rete nell’intelligenza artificiale”.
