Ricerche

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Che tu stia andando a letto o cercando uno spuntino a mezzanotte, non è necessario accendere le luci per sapere dove ti trovi mentre cammini per casa di notte. Questa abilità nascosta deriva da una straordinaria capacità chiamata integrazione del percorso: il tuo cervello conta costantemente i passi e le svolte, permettendoti di tracciare mentalmente la tua posizione come un GPS personale. Stai costruendo una mappa monitorando il movimento, non la vista.

Scienziati del Max Planck Florida Institute for Neuroscience (MPFI) ritengono che comprendere come il cervello esegue l’integrazione del percorso potrebbe essere un passo fondamentale per capire come il nostro cervello trasforma le esperienze momentanee in ricordi di eventi che si svolgono nel tempo. Nello studio pubblicato su Nature Communications, hanno fatto grandi passi avanti verso questo obiettivo. Le loro intuizioni potrebbero anche dare informazioni su ciò che potrebbe accadere ai pazienti nelle prime fasi del morbo di Alzheimer (MA), i cui primi sintomi sono spesso legati alla difficoltà di tenere traccia della distanza o del tempo.

Navigazione senza punti di riferimento

Nel loro studio, il team ha addestrato dei topi a percorrere una distanza specifica in un ambiente grigio di realtà virtuale senza punti di riferimento visivi, in cambio di una ricompensa. Gli animali potevano giudicare la distanza percorsa solo monitorando i propri movimenti, non facendo affidamento su segnali ambientali. Mentre i topi eseguivano questo compito, gli scienziati hanno registrato minuscoli impulsi elettrici che i neuroni usano per comunicare, consentendo loro di osservare l’attività di migliaia di neuroni.

Si sono concentrati sull'attività dei neuroni nell'ippocampo, una regione essenziale sia per la navigazione che per la memoria. Con la modellazione computerizzata, hanno poi analizzato questi segnali per rivelare le regole di calcolo del cervello per integrare il percorso. La dott.ssa Yingxue Wang, autrice senior e leader del gruppo MPFI, spiega:

"L'ippocampo è noto per aiutare gli animali a orientarsi nell'ambiente. In questa regione del cervello, alcuni neuroni si attivano in luoghi specifici. Tuttavia, in ambienti pieni di immagini, suoni e odori, è difficile dire se questi neuroni rispondono a quei segnali sensoriali o alla posizione dell'animale stesso. In questo studio, abbiamo rimosso quanti più segnali sensoriali possibile per imitare situazioni come il movimento al buio.

"In queste condizioni semplificate, abbiamo scoperto che solo un piccolo numero di cellule dell'ippocampo segnalavano un luogo o un momento specifico. Questa osservazione ci ha portato a chiederci cosa stavano facendo gli altri neuroni e se stavano aiutando l'animale a tenere traccia di dove si trovava integrando quanto lontano e per quanto tempo si era mosso, un processo chiamato integrazione del percorso".

Un codice neurale per l'integrazione del percorso

Gli scienziati hanno scoperto che durante la navigazione senza punti di riferimento, la maggior parte dei neuroni dell'ippocampo seguiva uno di due modelli opposti di attività. Questi modelli erano cruciali per aiutare gli animali a tenere traccia della distanza che avevano viaggiato. In un gruppo di neuroni, l’attività aumentava bruscamente quando l’animale iniziava a muoversi, come se segnasse l’inizio del processo di conteggio delle distanze. L'attività di questi neuroni è poi gradualmente diminuita a velocità diverse man mano che l'animale si spostava ulteriormente, fino a raggiungere la distanza stabilita per ottenere una ricompensa.

Un secondo gruppo di neuroni ha mostrato lo schema opposto: la loro attività diminuiva quando l’animale iniziava a muoversi, ma aumentava gradualmente man mano che l’animale arrivava più lontano. Il team ha scoperto che questi modelli di attività agiscono come un codice neurale per la distanza, con due fasi distinte. La prima fase (il rapido cambiamento dell'attività neurale) segna l'inizio del movimento e del conteggio delle distanze. La seconda fase (i cambiamenti graduali nell'attività neurale) conta la distanza percorsa. Sia le distanze brevi che quelle lunghe potrebbero essere tracciate nel cervello usando neuroni con diverse variazioni di velocità.

"Abbiamo scoperto che il cervello codifica la distanza trascorsa o il tempo necessario per risolvere questo compito usando neuroni che mostrano modelli variabili di attività", ha affermato lo scienziato Raphael Heldman. "Questa è la prima volta che è stato dimostrato che la distanza temporale viene codificata in un modo diverso dalla ben nota codifica basata sul luogo nell'ippocampo. Questi risultati ci fanno capire meglio il fatto che l'ippocampo impiega strategie multiple - modelli di velocità variabile oltre alla codifica basata sul luogo - per codificare il tempo e la distanza trascorsi".

Quando i ricercatori interrompevano questi schemi manipolando i circuiti che li producevano, gli animali avevano difficoltà a svolgere il compito in modo accurato e spesso cercavano la ricompensa nel posto sbagliato.

Impatto futuro

La dott.ssa Wang osserva che "comprendere come il tempo e la distanza sono codificati nel cervello durante l'integrazione del percorso è particolarmente importante perché questa capacità è una delle prime a degradarsi nel MA. I pazienti riferiscono i primi sintomi di disorientamento spaziale in un ambiente familiare o di non sapere come sono arrivati ​​in un luogo particolare".

Il gruppo di ricerca sta ora concentrando i suoi sforzi per capire come questi modelli vengono generati nel cervello, il che potrebbe aiutare a rivelare come le nostre esperienze momento per momento vengono codificate nei ricordi e come potrebbero essere interrotte nelle prime fasi del MA.