Poiché ronzano fastidiosamente attorno a un lotto di banane nelle nostre cucine, le mosche della frutta sembrano avere poco in comune con i mammiferi. Ma come specie modello per la scienza, i ricercatori stanno scoprendo crescenti somiglianze tra noi e i minuscoli insetti amanti della frutta.
In un nuovo studio, i ricercatori del Kavli Institute for Brain and Mind (KIBM) dell’Università della California di San Diego hanno scoperto che le mosche della frutta (Drosophila melanogaster) hanno capacità cognitive più avanzate di quanto si credesse in precedenza. Utilizzando un ambiente di realtà virtuale immersivo personalizzato, manipolazioni neurogenetiche e imaging dell’attività cerebrale in tempo reale in vivo, gli scienziati presentano nuove prove il 16 febbraio sulla rivista Nature dei notevoli legami tra le capacità cognitive delle mosche e dei mammiferi.
L’approccio a più livelli delle loro indagini ha rilevato attenzione, memoria di lavoro e capacità coscienti simili a quelle della consapevolezza nelle mosche della frutta, abilità cognitive tipicamente testate solo nei mammiferi. I ricercatori sono stati in grado di osservare la formazione, la distraibilità e l’eventuale sbiadimento di una traccia di memoria nei loro minuscoli cervelli.
“Nonostante la mancanza di evidenti somiglianze anatomiche, questa ricerca parla del nostro funzionamento cognitivo quotidiano: a cosa prestiamo attenzione e come lo facciamo”, ha affermato l’autore senior dello studio Ralph Greenspan, professore presso la Divisione di scienze biologiche della UC San Diego e direttore associato di KIBM.
“Poiché tutti i cervelli si sono evoluti da un antenato comune, possiamo tracciare corrispondenze tra le regioni del cervello di mosca e mammiferi in base alle caratteristiche molecolari e al modo in cui immagazziniamo i nostri ricordi”.
Mosche e apprendimento: l’esperimento
Per arrivare al cuore delle loro nuove scoperte, i ricercatori hanno creato un ambiente di realtà virtuale immersiva per testare il comportamento della mosca attraverso la stimolazione visiva e hanno accoppiato le immagini visualizzate con un laser a infrarossi come stimolo termico avverso.
L’arena panoramica quasi a 360 gradi ha permesso alla Drosophila di sbattere le ali liberamente rimanendo legata, e con la realtà virtuale che si aggiornava costantemente in base al movimento delle ali (analizzato in tempo reale utilizzando telecamere di visione artificiale ad alta velocità) ha dato alle mosche l’illusione di volare liberamente nel mondo.
Ciò ha dato ai ricercatori la possibilità di addestrare e testare le mosche per compiti di condizionamento, consentendo all’insetto di orientarsi lontano da un’immagine associata allo stimolo termico negativo e verso una seconda immagine non associata al calore.
Hanno testato due varianti di condizionamento, una in cui alle mosche veniva somministrata una stimolazione visiva che si sovrapponeva nel tempo al calore (condizionamento ritardato), che terminavano entrambe insieme, o una seconda, condizionamento della traccia, aspettando da 5 a 20 secondi per erogare il calore dopo aver mostrato e rimuovendo la stimolazione visiva.
Il tempo intermedio è considerato l’intervallo di “traccia” durante il quale la mosca conserva una “traccia” dello stimolo visivo nel suo cervello, una caratteristica indicativa dell’attenzione, della memoria di lavoro e della consapevolezza cosciente nei mammiferi.
I ricercatori hanno anche immaginato il cervello per monitorare l’attività del calcio in tempo reale utilizzando una molecola fluorescente che hanno modificato geneticamente nelle loro cellule cerebrali. Ciò ha permesso ai ricercatori di registrare la formazione e la durata della memoria vivente della mosca poiché hanno visto la traccia lampeggiare e spegnersi mentre era trattenuta nella memoria a breve termine (di lavoro) della mosca.
Hanno anche scoperto che una distrazione introdotta durante l’allenamento, un leggero soffio d’aria, faceva svanire più rapidamente la memoria visiva, segnando la prima volta che i ricercatori sono stati in grado di dimostrare tale distrazione nelle mosche e implicando un requisito di attenzione nella formazione della memoria nella Drosophila.
“Questo lavoro dimostra non solo che le mosche sono capaci di questa forma superiore di condizionamento delle tracce e che l’apprendimento è distraibile proprio come nei mammiferi e negli esseri umani, ma l’attività neurale alla base di questi processi di memoria attenzionale e di lavoro nella mosca mostra una notevole somiglianza con quelli nei mammiferi”, ha affermato Dhruv Grover, membro della facoltà di ricerca KIBM della UC San Diego e autore principale del nuovo studio.
“Questo lavoro dimostra che i moscerini della frutta potrebbero fungere da potente modello per lo studio delle funzioni cognitive superiori. In poche parole, la mosca continua a stupire per quanto sia davvero intelligente”.
Gli scienziati hanno anche identificato l’area del cervello della mosca in cui si è formata e svanita la memoria, un’area nota come il corpo ellissoide del complesso centrale della mosca, una posizione che corrisponde alla corteccia cerebrale nel cervello umano.
Inoltre, il team di ricerca ha scoperto che la dopamina neurochimica è necessaria per tale apprendimento e per funzioni cognitive superiori. I dati hanno rivelato che le reazioni della dopamina si verificavano sempre più in anticipo nel processo di apprendimento, anticipando infine lo stimolo di calore in arrivo.
I ricercatori stanno ora studiando i dettagli di come l’attenzione è codificata fisiologicamente nel cervello. Grover crede che dalle lezioni apprese da questo sistema modello è probabile che informino direttamente la nostra comprensione delle strategie di cognizione umana e dei disturbi neurali che le interrompono, ma contribuiscano anche a nuovi approcci ingegneristici che portano a scoperte di prestazioni nei progetti di intelligenza artificiale.
I coautori dello studio includono Dhruv Grover, Jen-Yung Chen, Jiayun Xie, Jinfang Li, Jean-Pierre Changeux e Ralph Greenspan (tutti affiliati all’UC San Diego Kavli Institute for Brain and Mind, e anche J.-P. Changeux membro del Collège de France).
