Situato nella parte posteriore della testa, il cervelletto è una struttura cerebrale che svolge un ruolo fondamentale nel modo in cui apprendiamo, adattando le nostre azioni in base alle esperienze passate. Tuttavia, le modalità precise con cui avviene questo apprendimento sono ancora in fase di definizione.
La funzione del cervelletto
Uno studio sul cervelletto condotto da un team della Fondazione Champalimaud porta nuova chiarezza a questo dibattito, con una scoperta fortuita dei cosiddetti “neuroni zombi”. Questi neuroni, vivi ma funzionalmente alterati, hanno contribuito a far progredire la nostra comprensione dei segnali di insegnamento critici del cervelletto.
La parola “cervelletto” significa “piccolo cervello”, nonostante contenga più della metà dei neuroni del cervello. È essenziale per coordinare i movimenti e l’equilibrio, aiutandoti a svolgere le attività quotidiane senza intoppi, come camminare per una strada affollata o fare sport. È fondamentale anche per il processo di apprendimento perché consente di associare segnali sensoriali ad azioni specifiche.
Ogni volta che prendi in mano una tazza senza rovesciarne il contenuto, regolando senza sforzo la quantità di forza applicata in base al peso del contenitore e a quanto è pieno, stai sperimentando le conseguenze della capacità del cervelletto di collegare i segnali visivi con il movimento corrispondente risposte.
Affinché l’apprendimento abbia luogo, il cervelletto monitora continuamente il mondo esterno e l’esito dei movimenti che compiamo al suo interno. Quando commettiamo un errore, le informazioni sui nostri errori possono essere utilizzate per regolare la forza delle connessioni cerebrali, portando nel tempo a cambiamenti nelle nostre risposte comportamentali a segnali specifici. Tuttavia, non si sa esattamente come tali “errori” o “segnali di insegnamento” siano rappresentati nel cervello per guidare i cambiamenti appresi nel comportamento.
L’ultima ricerca del Carey Lab della Fondazione Champalimaud, pubblicata su Nature Neuroscience , fornisce prove convincenti che l’attività in una classe specifica di input cerebellari, chiamate fibre rampicanti, sono assolutamente essenziali affinché avvenga l’apprendimento associativo.
Per esaminare il ruolo delle fibre rampicanti e dei loro bersagli, le cellule cerebellari di Purkinje, nell’apprendimento, i ricercatori hanno progettato un esperimento coinvolgendo i topi. Hanno utilizzato un compito di apprendimento comune noto come condizionamento delle palpebre. In questo compito, un topo impara a battere le palpebre in risposta a un certo segnale, come una luce, che precede un evento, tipicamente un leggero soffio d’aria rivolto ai suoi occhi. Gli animali mostrano quindi un apprendimento associativo, imparando a collegare un segnale sensoriale con una risposta di movimento adattiva, in questo caso, sbattendo le palpebre.
“Nel nostro esperimento”, spiega la dottoressa Tatiana Silva, prima autrice dello studio, “abbiamo utilizzato una tecnica chiamata optogenetica. Questo metodo funziona come un telecomando altamente preciso per le cellule cerebrali , utilizzando la luce per accendere o spegnere determinate cellule di interesse a livello tempi estremamente specifici.”
Silva continua: “Le fibre rampicanti normalmente rispondono agli stimoli sensoriali come un soffio d’aria negli occhi. Attivando precisamente queste fibre con l’optogenetica, siamo riusciti a ingannare il topo facendogli credere di aver ricevuto un soffio d’aria, quando in realtà non lo aveva fatto.” . Dopo aver stimolato costantemente le fibre rampicanti durante la presentazione di un segnale visivo, i topi hanno imparato a sbattere le palpebre in risposta a quel segnale, anche in assenza di stimolazione. Ciò ha dimostrato che queste fibre sono sufficienti per guidare questo tipo di apprendimento associativo.”
Gli autori sono stati inoltre in grado di dimostrare che le fibre rampicanti sono necessarie anche per l’apprendimento associativo. “Quando abbiamo usato l’optogenetica per silenziare selettivamente le fibre rampicanti durante la presentazione di un vero soffio d’aria”, rivela Silva, “i topi non sono riusciti completamente a imparare a battere le palpebre in risposta al segnale visivo”.
Il team di Carey ha manipolato in modo simile una serie di altri tipi di cellule cerebrali all’interno del cervelletto, ma ha scoperto che nessuna di esse era in grado di fornire segnali di insegnamento così affidabili per l’apprendimento.
Osservando più da vicino alcuni dei loro dati, i ricercatori hanno scoperto una svolta inaspettata. Per manipolare l’attività delle fibre rampicanti utilizzando l’optogenetica, avevano utilizzato strumenti genetici per esprimere una proteina sensibile alla luce chiamata Channelrhodopsin-2 (ChR2) in quei neuroni.
Sorprendentemente, hanno scoperto che quando hanno cercato di insegnare ai topi che esprimevano ChR2 utilizzando il tradizionale metodo del soffio d’aria, gli animali non sono riusciti completamente ad apprendere. Come spiega Carey, dopo registrazioni sistematiche dell’attività neurale del cervelletto di questi topi, “si è scoperto che l’introduzione di ChR2 nelle fibre rampicanti alterava le loro proprietà naturali, impedendo loro di rispondere adeguatamente agli stimoli sensoriali standard come gli sbuffi d’aria. Questo, a sua volta , ha bloccato completamente la capacità di apprendimento degli animali.”
“La cosa notevole”, dice Silva, “è che questi stessi topi hanno imparato perfettamente quando abbiamo abbinato la stimolazione delle fibre rampicanti, invece di un soffio d’aria, a un segnale visivo.”
“La cosa notevole”, dice Silva, “è che questi stessi topi hanno imparato perfettamente quando abbiamo abbinato la stimolazione delle fibre rampicanti, invece di un soffio d’aria, a un segnale visivo.”
Involontariamente, il team aveva raggiunto un obiettivo di lunga data nel campo delle neuroscienze: modulare specifici modelli di attività all’interno di specifici neuroni senza interrompere completamente la loro comunicazione, ottenendo un intervento più naturale per chiarire il loro ruolo causale.
In altre parole, sebbene le fibre rampicanti rimanessero spontaneamente attive ed fossero chiaramente altrimenti funzionali, la loro codifica alterata degli stimoli sensoriali lasciava gli animali totalmente incapaci di apprendere il compito. Ciò ha portato Silva a soprannominarli “neuroni zombi”: funzionalmente vivi ma non interagenti con il circuito cerebrale come al solito.
A causa della sottigliezza degli effetti inaspettati dell’espressione di ChR2 nelle fibre rampicanti, la dott.ssa Megan Carey afferma: “Questi risultati costituiscono la prova più convincente fino ad oggi che i segnali delle fibre rampicanti sono essenziali per l’apprendimento associativo cerebellare. I nostri prossimi passi riguardano la comprensione del perché ChR2 L’espressione porta alla “zombificazione” dei neuroni e determina se le nostre scoperte si estendono ad altre forme di apprendimento cerebellare.”.
Trasmettere un’istantanea sensoriale al cervelletto
Durante la nostra vita quotidiana, siamo costantemente bombardati da un flusso costante di informazioni sensoriali. Prendiamo ad esempio una tipica routine mattutina: svegliata dal sonno da una sveglia stridula, dal forte aroma del caffè appena fatto, dalle luci dei freni e dai clacson delle ore di punta. Nel corso di una sola giornata, sperimentiamo migliaia di segnali diversi attraverso tutti i sensi.
Nonostante i numerosi segnali caotici che incontriamo, il nostro cervello svolge un lavoro straordinario assemblandoli ed elaborandoli; permettendoci di dare un senso al mondo che ci circonda. Questa elaborazione può prendere forma in modi molto evidenti, come la nostra vista e il nostro udito, ma avviene anche in modo più sottile e inaspettato.
Ad esempio, quando impariamo un nuovo movimento, il nostro cervello tiene costantemente traccia dei segnali sensoriali che ci circondano. Questa istantanea sensoriale aiuta a istruire e guidare l’apprendimento motorio in modo che quando incontriamo nuovamente lo stesso contesto, avremo maggiori probabilità di eseguire il movimento in modo migliore.
Sebbene esista una vasta conoscenza a sostegno dell’idea che i segnali sensoriali apportano benefici all’apprendimento motorio, negli ultimi anni sono stati dibattuti i precisi circuiti cerebrali e i meccanismi che legano questi due insieme. Gettando nuova luce su questo argomento, un articolo recentemente pubblicato su Neuron dal laboratorio del dottor Jason Christie, leader del gruppo di ricerca presso il Max Planck Florida Institute for Neuroscience (MPFI), ha rivelato che uno speciale percorso di input nel cervelletto sembra contenere la chiave per codificare le informazioni sensoriali.
Il cervelletto è una struttura unica all’interno del cervello che svolge un ruolo di fondamentale importanza nella coordinazione motoria e nell’apprendimento che migliora i movimenti.
Ricevendo molti input da varie regioni del cervello, il cervelletto integra e invia informazioni raffinate attraverso un singolo tipo di neurone chiamato cellula di Purkinje. Un input significativo per le cellule del Purkinje sono le proiezioni a lungo raggio chiamate fibre rampicanti.
“Le fibre da arrampicata sono molto conosciute e ampiamente studiate sul campo.” descrive il dottor Michael Gaffield, ricercatore presso il Christie Lab e primo autore della pubblicazione. “Queste fibre formano connessioni a lungo raggio con il cervelletto e si pensa che forniscano segnali motori istruttivi e trasmettano informazioni sensoriali. Ma negli ultimi anni è stato suggerito che i circuiti locali all’interno del cervelletto, come le fibre parallele o gli interneuroni dello strato molecolare, possano giocano anche un ruolo nella codificazione delle informazioni sensoriali.”
Per indagare, il team ha utilizzato l’imaging del calcio a due fotoni per monitorare l’attività delle cellule di Purkinje all’interno del cervelletto dei topi mentre presentavano vari stimoli sensoriali (uditivi, visivi e somatosensoriali). Hanno poi isolato e valutato i cambiamenti nell’attività delle cellule di Purkinje che corrispondevano direttamente ai tempi di ogni singolo stimolo e all’input delle fibre rampicanti.
“All’interno di ciascuna cellula del Purkinje, abbiamo osservato un aumento costante dell’attività ogni volta che veniva presentato uno stimolo sensoriale. Ma l’aumento non era esattamente lo stesso in tutti e tre i tipi sensoriali, variava a seconda del tipo di stimolo presentato”, spiega Gaffield.
Successivamente gli scienziati dell’MPFI hanno esaminato se altri tipi di cellule oltre alle fibre rampicanti contribuissero direttamente all’attività sensoriale potenziata osservata nelle cellule di Purkinje. Utilizzando le tecniche di inattivazione optogenetica (soppressione dell’attività neurale mediante la luce) e di inibizione chemiogenetica (soppressione dell’attività neurale mediante farmaci), il team è stato in grado di inibire singoli tipi di cellule nei circuiti cerebellari locali.
Nonostante l’alterazione dell’attività locale, non si è verificato alcun cambiamento nell’attività sensoriale potenziata delle cellule di Purkinje. Tuttavia, inibendo direttamente l’attività delle fibre rampicanti, il potenziamento veniva abolito; indicando che le sole fibre rampicanti sono responsabili della trasmissione delle informazioni sensoriali al cervelletto.
Facendo un ulteriore passo avanti nella loro indagine, il laboratorio Christie ha aperto la strada a una nuova tecnica che consente loro di monitorare l’attività delle stesse proiezioni assonali delle fibre rampicanti. Hanno scoperto che quando si presentavano stimoli sensoriali, i cambiamenti graduali nell’attività presinaptica delle fibre rampicanti erano rappresentati accuratamente nelle cellule di Purkinje; un’attività più forte nella fibra rampicante è stata esattamente rispecchiata da un’attività più forte nelle cellule di Purkinje con cui si connettono.
“I nostri risultati in realtà sono stati una sorta di sorpresa”, osserva la Dott.ssa Christie. “Tradizionalmente si pensava che i segnali sensoriali che arrivavano al cervelletto fossero integrati ed elaborati dalle cellule del Purkinje utilizzando connessioni locali. I nostri risultati dimostrano che le cellule del Purkinje riflettono semplicemente ciò che sta facendo la scalata. Ciò significa che una regione più distale del cervello sta facendo l’effettiva elaborazione delle informazioni sensoriali e la semplice trasmissione delle stesse al cervelletto .”
“Poiché l’attività delle cellule di Purkinje è di fondamentale importanza per l’apprendimento motorio, stiamo ora esaminando l’attività derivata dai sensi durante comportamenti motori più complessi” spiega la Dott.ssa Christie. “Speriamo di essere in grado di scoprire i meccanismi neurali che sono alla base della capacità unica della fibra rampicante di trasmettere informazioni sensoriali e come l’apprendimento trae vantaggio da questo schema di codifica.”
Una molecola per il corretto cablaggio neurale nel cervelletto
I ricercatori dell’Università di Hokkaido hanno scoperto che la molecola del trasportatore L-gutamato/L-aspartato (GLAST) svolge un ruolo essenziale nello stabilire e mantenere il corretto cablaggio neurale delle cellule di Purkinje nel cervelletto.
Le cellule di Purkinje sono tra le cellule nervose più grandi del cervello. Sono presenti nel cervelletto, una piccola struttura nella parte posteriore del cervello che influenza la coordinazione motoria. Sono principalmente collegati al sistema nervoso per mezzo di due distinti tipi di fibre nervose: fibre parallele e fibre rampicanti. Queste fibre si collegano a diverse parti dei dendriti delle cellule di Purkinje, o ai rami che sporgono dal corpo cellulare, segregando i loro territori.
GLAST è una molecola prodotta da cellule isolanti specializzate chiamate glia di Bergmann che avvolgono le sinapsi delle cellule di Purkinje. Il ruolo di GLAST è quello di rimuovere il glutammato in eccesso, un neurotrasmettitore utilizzato dalle fibre parallele e rampicanti per inviare segnali alle cellule del Purkinje.
Ciò facilita un segnale ad alta fedeltà consentendo alla giusta quantità di glutammato di raggiungere la cellula nervosa mirata senza riversarsi sulle cellule vicine. Tuttavia, si sa poco sul ruolo di GLAST nello sviluppo dei circuiti neurali.
Il professor Masahiko Watanabe dell’Università di Hokkaido e i suoi colleghi in Giappone hanno confrontato il cablaggio delle cellule di Purkinje nei topi normali e nei topi mutanti privi di GLAST. Il cablaggio delle cellule di Purkinje nei topi mutanti era carico di anomalie.
Ciascuna cellula del Purkinje è normalmente innervata da una singola fibra rampicante a seguito della competizione tra le fibre durante lo sviluppo. Tuttavia, nei topi mutanti, le cellule di Purkinje erano innervate da molteplici fibre rampicanti, che apparentemente causavano un’eccitazione atipica delle cellule di Purkinje.
Sono state colpite anche le fibre parallele. Hanno aumentato notevolmente il numero di connessioni con le cellule di Purkinje, compromettendo la segregazione territoriale tra fibre rampicanti e fibre parallele. Inoltre, nei topi knockout, le cellule gliali di Bergmann erano avvolte in modo improprio attorno alle cellule di Purkinje , esponendole all’ambiente esterno.
In un altro esperimento, hanno anche scoperto che il blocco funzionale di GLAST nei topi adulti normali provoca anomalie simili a quelle osservate nei topi knockout.
“Abbiamo dimostrato che il trasportatore del glutammato, GLAST, svolge un ruolo importante nello stabilire e mantenere il corretto cablaggio nervoso e l’isolamento nel cervelletto. Ulteriori indagini dovrebbero rivelare come la funzione di GLAST è correlata alla plasticità della rete neurale”, afferma Masahiko Watanabe.
