Cellule di posizione nel mondo reale (a sinistra): la vista dall'alto di una stanza in cui corre un ratto, con 4 pareti colorate, un motivo di controllo a terra e, al centro, una pista stretta (linea bianca) dove corre il ratto. Le accensioni di un neurone sono indicate da segni blu sopra e sotto la riga bianca; sotto quelle che avvengono quando il ratto va da sinistra a destra e sopra quando va da destra a sinistra. Dati registrati nel mondo reale. Si noti che i picchi (tacche blu) si verificano nella stessa posizione assoluta, per cui queste sono chiamate cellule di posizione. Cellule di posizione nella realtà virtuale (a destra): si noti che il mondo virtuale è simile al mondo reale dell’altra immagine. Quando il ratto corre nel mondo virtuale, i neuroni si accendono alla stessa distanza relativa nella pista, in entrambe le direzioni di movimento, in una posizione diversa dal mondo reale. Gli scienziati ipotizzano che i neuroni in realtà calcolano le distanze relative utilizzando indizi sulle pareti e l’auto-movimento nel mondo virtuale. Nel mondo reale si ritiene che la presenza di stimoli sensoriali non specifici sulla pista, come odori e strutture, attivi i neuroni nella stessa posizione. (Credit: Image courtesy of University of California - Los Angeles)Uscire di casa la mattina può sembrare semplice, ma per ogni mossa che facciamo, il nostro cervello lavora febbrilmente per creare mappe del mondo esterno che ci permettono di girare e di ricordare dove siamo.

Si fa un passo fuori dalla porta, e una singola cellula cerebrale si accende. Si passa vicino al cespuglio di rose per andare all'auto, e un altro neurone specifico si accende.

E così via. In ultima analisi, il cervello costruisce la propria mappa geografica millimetrica, molto più precisa di qualsiasi altra che si può trovare su Google Maps. Ma il modo esatto in cui i neuroni generano queste mappe dello spazio affascina gli scienziati da decenni. Si sa che diversi tipi di stimoli influenzano la creazione di mappe neuronali, comprese le indicazioni visive dell'ambiente fisico (il cespuglio di rose, per esempio), la conoscenza innata del corpo della velocità con cui si sta muovendo, e altri fattori, come l'odore. Eppure non sono noti i meccanismi attraverso i quali gruppi di neuroni combinano questi vari stimoli per fare mappe precise.

Per risolvere questo enigma, neurofisici dell'Univresity of California di Los Angeles (UCLA) hanno costruito un ambiente di realtà virtuale che ha permesso loro di manipolare questi indizi mentre misuravano l'attività dei neuroni cartografici nei ratti. Con sorpresa hanno scoperto che eliminando alcune imbeccate, i neuroni che di solito si accendono ogni volta che un topo passa da un punto fisso, o da un punto di riferimento nel mondo reale, cominciano invece a calcolare la posizione relativa del ratto, accendendosi per esempio ogni volta che il roditore fa cinque passi in avanti, poi cinque passi indietro, indipendentemente dai punti di riferimento. E molte altre cellule di mappatura si spengono del tutto, suggerendo che diversi segnali sensoriali influenzano fortemente questi neuroni.

Infine, i ricercatori hanno scoperto che in questo mondo virtuale, è profondamente alterata l'accensione ritmica dei neuroni, che normalmente accelera o rallenta a seconda della velocità con cui un animale si muove. Il cervello dei ratti mantiene un modello ritmico unico e costante. I risultati, riferiti il 2 Maggio nell'edizione online della rivista Science, forniscono ulteriori indizi su come il cervello apprende e produce ricordi.

Il mistero di come le cellule determinano la posizione

Le "cellule di posizione" sono singoli neuroni situati nell'ippocampo del cervello, che creano mappe registrando luoghi specifici dell'ambiente esterno. Queste cellule sono fondamentali per l'apprendimento e la memoria. Si sa che, quando si danneggiano, hanno un ruolo in condizioni come i disturbi da stress post-traumatico e l'Alzheimer.

Per circa 40 anni, si è pensato che le mappe fatte da cellule di posizione fossero basate principalmente su punti di riferimento visivi nell'ambiente, noti come indizi distali - un albero alto, un edificio - come pure sul movimento, o andatura, e sugli indizi. Ma, come sottolinea Mayank Mehta, neurofisico dell'UCLA e autore senior dello studio, sono presenti altri spunti nel mondo reale: l'odore della pizzeria locale, il suono di un tunnel della metropolitana nelle vicinanze, la sensazione tattile dei piedi su una superficie. Questi altri indizi, che a Mehta piace chiamare "cose", si credeva avessero solo una piccola influenza sulle cellule di posizione.

Potrebbe essere che queste diverse modalità sensoriali portino le cellule di posizione a creare delle mappe individuali, si chiedeva Mehta, professore con nomine congiunte nei reparti di neurologia, fisica e astronomia. E se è così, queste singole mappe cooperano tra di loro, o competono? Nessuno lo sapeva con certezza.

La realtà virtuale rivela nuovi indizi

Per studiarlo, Mehta e colleghi dovevano separare i segnali distali e dell'andatura da tutte le altre "cose". L'hanno fatto costruendo un labirinto di realtà virtuale per i ratti a cui hanno rimosso gli odori, i suoni e tutti gli stimoli, ad eccezione dei spunti distali e dell'andatura. Quando veniva proiettato il video di un ambiente fisico intorno a loro, i ratti, tenuti da una imbracatura, sono stati collocati su una palla che ruotava quando si muovevano. Quando correvano, il video si muoveva con loro, dando agli animali l'illusione di girare per la strada in un ambiente fisico reale.

A titolo di confronto, i ricercatori facevano girare i ratti (sei in tutto) in un labirinto del mondo reale visivamente identico alla versione di realtà virtuale, ma che comprendeva ulteriori spunti di "cose". Usando micro-elettrodi 10 volte più sottili di un capello umano, il team ha misurato l'attività di circa 3.000 neuroni di mappatura spaziale nel cervello dei ratti che hanno completato entrambi i labirinti.

Quello che hanno scoperto li ha incuriositi. L'eliminazione degli spunti di "cose" nel labirinto virtuale ha avuto un effetto enorme: la metà piena dei neuroni che si stava registrando è diventata inattiva, nonostante il fatto che gli spunti distali e di andatura fossero simili nei mondi virtuali e reali. I risultati, scrive Mehta, dimostrano che questi diversi segnali sensoriali, che una volta si credeva avessero solo con un ruolo secondario nell'attivazione del cervello, in realtà hanno una grande influenza sulle cellule di posizione.

E mentre nel mondo reale le cellule di posizione rispondono a posizioni assolute fisse, accendendosi in quelle stesse posizioni ogni volta che i topi le passavano, indipendentemente dalla direzione in cui si muovevano - un risultato coerente con i precedenti esperimenti - questo non era il caso nel labirinto di realtà virtuale. "Nel mondo virtuale", spiega Mehta, "abbiamo scoperto che i neuroni non lo fanno quasi mai. Al contrario i neuroni si accendono alla stessa distanza relativa nelle due direzioni, mentre il ratto si muove avanti e indietro. In altre parole, di tornare allo stesso esempio da-porta-alla-macchina, nel mondo virtuale la cellula che si accende cinque passi fuori dalla porta non si accende cinque passi nel tragitto di ritorno. Invece si accende a cinque passi di distanza dall'auto, quando si lascia l'auto. Quindi, queste cellule tengono traccia della distanza relativa che si è fatta, piuttosto che la posizione assoluta. Ciò ci dà la prova della capacità della singola cella di posizione di rappresentare le distanze relative".

Mehta pensa che questo è dovuto al fatto che le mappe neuronali sono generate da tre diverse categorie di stimoli - spunti distali, andatura e le "cose" - e che tutti sono in competizione per il controllo delle attività neurali. Questa competizione è ciò che in ultima analisi, genera la mappa "completa" dello spazio. "Tutte le cose esterne sono fissate nella stessa posizione assoluta e generano quindi una rappresentazione dello spazio assoluto", spiega. "Ma quando si rimuovono le "cose", si rivela il profondo contributo dell'andatura, cosa che consente ai neuroni di calcolare le distanze relative percorse".

I ricercatori hanno anche fatto una nuova scoperta sul ritmo theta del cervello. E' noto che cellule di posizione usano l'accensione ritmica dei neuroni per tenere traccia del "tempo cerebrale", l'orologio interno del cervello. Di solito, dice Mehta, il ritmo theta diventa più veloce quando i soggetti corrono più velocemente, e più lento al diminuire della velocità. Questo cambiamento del ritmo del cervello proporzionale alla velocità era considerato cruciale per la generazione del 'tempo cerebrale' delle cellule di posizione. Ma il team ha scoperto che nel mondo virtuale, il ritmo theta non è influenzato dalla velocità della corsa. "Questa è stata una scoperta sorprendente ed affascinante, perché il 'tempo cerebrale' delle cellule di posizione era preciso allo stesso modo nel mondo virtuale come nel mondo reale, anche con l'abolizione della dipendenza dalla velocità del ritmo theta", dice Mehta. "Questo ci fa capire meglio come il cervello tiene traccia dello spazio-tempo".

I ricercatori hanno scoperto che l'accensione delle cellule di posizione è molto precisa, fino ad un centesimo di secondo, "così veloce che noi umani non possiamo percepirlo, ma i neuroni si", afferma Mehta. "Abbiamo scoperto che quest'accensione molto precisa dei neuroni, rispetto al 'tempo cerebrale', è fondamentale per apprendere e produrre nuovi ricordi".

Mehta dice che i risultati, nel loro insieme, forniscono informazioni su come indizi sensoriali distinti sia cooperano, sia competono per influenzare l'intricata rete di attività neuronale. Capire come funzionano queste cellule è la chiave per capire il modo in cui il cervello produce e conserva i ricordi, che sono vulnerabili nei disturbi come l'Alzheimer e il PTSD. "In ultima analisi, capire come funzionano queste intricate reti neuronali è una chiave per lo sviluppo di terapie per prevenire tali disturbi", conclude.

Altri autori dello studio comprendono Pascal Ravassard, Ashley Kees e Bernard Willers, tutti autori principali, e David Ho, Daniel A. Aharoni, Jesse Cushman e Zahra M. Aghajan dell'UCLA. Il finanziamento è stato fornito dalla WM Keck Foundation, da un premio alla carriera della National Science Foundation e da una sovvenzione del National Institutes of Health.

Fonte: University of California - Los Angeles. Articolo originale scritto da Mark Wheeler.

Riferimento: P. Ravassard, A. Kees, B. Willers, D. Ho, DA Aharoni, J. Cushman, ZM Aghajan, MR Mehta. Multisensory Control of Hippocampal Spatiotemporal Selectivity. Science, 2013; DOI: 10.1126/science.1232655.

Pubblicato in Science Daily il 3 Maggio 2013 (> English version) - Traduzione di Franco Pellizzari

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