Nuovi gruppi di connessioni cerebrali si formano durante l'apprendimento

20 Feb 2012

Nuove connessioni tra cellule cerebrali emergono a grappoli nel cervello quando gli animali imparano a svolgere un nuovo compito.

Lo studio che lo afferma, pubblicato su Nature il 19 febbraio (anticipo pubblicazione on-line) e condotto da ricercatori della University of California di Santa Cruz, rivela i dettagli sul modo in cui i circuiti cerebrali sono ricablati durante la formazione dei nuovi ricordi di movimento.

I ricercatori hanno studiato i topi mentre imparavano nuovi comportamenti, come ad esempio raggiungere un punto per prendere un seme. Hanno osservato i cambiamenti nella corteccia motoria, lo strato di cervello che controlla i movimenti muscolari, durante il processo di apprendimento. In particolare, hanno seguito la crescita di nuove "spine dendritiche", strutture che formano le connessioni (sinapsi) tra le cellule nervose.

"Per la prima volta siamo in grado di osservare la distribuzione spaziale di nuove sinapsi legate alla codifica della memoria", ha detto Yi Zuo, assistente professore di biologia molecolare, cellulare e dello sviluppo all'Università di Santa Cruz e autore corrispondente del documento. In uno studio precedente, Zuo e altri hanno documentato la rapida crescita di nuove spine dendritiche sui neuroni piramidali della corteccia motoria durante il processo di apprendimento. Queste spine formano sinapsi dove i neuroni piramidali ricevono input da altre regioni del cervello coinvolte nella memoria motoria e dei movimenti muscolari. Nel nuovo studio, il primo autore Min Fu, ricercatore postdottorato nel laboratorio di Zuo, ha analizzato la distribuzione spaziale delle sinapsi di nuova formazione.

Il rendering della rete neurale. Nuove connessioni
tra cellule cerebrali emergono a grappoli nel cervello
quando gli animali imparano a eseguire un nuovo
compito, secondo uno studio.
(Credit: © nobeastsofierce / Fotolia)

I primi risultati delle analisi spaziali hanno mostrato che un terzo delle sinapsi di nuova formazione si trovavano accanto ad un'altra nuova sinapsi. Questi gruppi, o cluster, di sinapsi tendevano a formarsi nel corso di pochi giorni durante il periodo di apprendimento, quando il topo esegue ripetutamente il nuovo comportamento. Rispetto alle controparti non-raggruppate, le sinapsi in gruppo avevano più probabilità di persistere nel corso delle sessioni di apprendimento e dopo l'interruzione dell'allenamento.

Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che dopo la formazione della seconda spina in un cluster, la prima spina si è ingrandita. La dimensione della testa della spina è correlata alla forza della sinapsi. "Abbiamo scoperto che la formazione di un secondo collegamento è correlata al rafforzamento della prima connessione, il che suggerisce che possono essere coinvolte nello stesso schema di circuitazione", dice Zuo. "Il raggruppamento delle sinapsi può servire a ingrandire la forza delle connessioni".

Un'altra parte dello studio ha altresì sostenuto l'idea che le sinapsi del cluster sono coinvolte in circuiti neurali specifici della mansione da apprendere. I ricercatori hanno studiato topi addestrati prima in un compito e poi in un compito diverso. Invece di prendere un seme, i topi hanno dovuto imparare a gestire un pezzo di pasta del tipo capellini. Entrambi i compiti hanno provocato la formazione di spine raggruppate, ma le spine che si sono formate durante l'apprendimento di diverse attività non si sono raggruppate insieme.

I ricercatori hanno anche esaminato i topi che sono stati stimolati con compiti motori nuovi ogni giorno, ma non ripetevano la stessa operazione più e più volte come quelli addestrati a prendere i semi o a gestire i capellini. Anche questi topi hanno formato molte nuove spine dendritiche, ma poche delle nuove erano in gruppo. "L'attivazione ripetuta dello stesso circuito corticale è molto importante per imparare una nuova attività", ha detto Zuo. "Ma qual è la frequenza ottimale di ripetizione? In definitiva, studiando il rapporto tra la formazione di sinapsi e l'apprendimento, vogliamo trovare il modo migliore per indurre nuovi ricordi".

Lo studio ha utilizzato topi geneticamente modificati per produrre una proteina fluorescente all'interno di certi neuroni nella corteccia motoria. I ricercatori hanno utilizzato una particolare tecnica di microscopia (microscopia a doppio fotone) per ottenere immagini di quei neuroni vicino alla superficie del cervello. La tecnica di visualizzazione non invasiva ha permesso loro di vedere le modifiche nelle singole cellule cerebrali dei topi, prima, durante e dopo aver appreso un nuovo comportamento.

Oltre a Zuo e al primo autore Min Fu, i coautori dello studio includono Xinzhu Yu, studente laureato alla UCSC, e Ju Lu biologo della Stanford University. Questa ricerca è stata finanziata della Dana Foundation e dal National Institute of Mental Health.

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Fonte:·Materiale della University of California - Santa Cruz, via EurekAlert!, un servizio di AAAS. Articolo originale scritto da Tim Stephens.

Riferimento: Min Fu, Xinzhu Yu, Ju Lu, Yi Zuo. Repetitive motor learning induces coordinated formation of clustered dendritic spines in vivo. Nature, 2012; DOI: 10.1038/nature10844.

Pubblicato in ScienceDaily il 19 febbraio 2012 - Traduzione di Franco Pellizzari.

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