Sezione dell'ippocampo che mostra le cellule insulari (verdi) che si proiettano nella regione CA1 dell'ippocampo. (Immagine: Takashi Kitamura)Supponiamo di aver sentito una volta il suono di pneumatici in frenata, seguito da un incidente d'auto.

La prossima volta che si sente un tale slittamento, si potrebbe rabbrividire dalla paura, aspettandosi l'incidente successivo; questo suggerisce che in qualche modo, il cervello aveva collegato i due ricordi, così che un suono relativamente innocuo provoca il terrore.

Neuroscienziati del MIT hanno ora scoperto che due circuiti neurali nel cervello lavorano insieme per controllare la formazione di tali ricordi legati dal tempo. Questa è una capacità cruciale che aiuta il cervello a determinare quando è necessario agire per difendersi da una minaccia potenziale, dice Susumu Tonegawa, professore Picower di Biologia e Neuroscienze e autore di un documento che descrive lo studio nel numero del 23 gennaio di Science.

"E' importante per noi essere in grado di associare le cose che accadono con un certo gap temporale", spiega Tonegawa, che è un membro del Picower Institute for Learning and Memory del MIT. "Per gli animali è molto utile sapere quali eventi associare, e quali non associare". L'interazione di questi due circuiti permette al cervello di mantenere un equilibrio tra il paralizzarsi troppo facilmente dalla paura ed essere troppo distratti, potendo essere colti di sorpresa da un predatore o da altre minacce.

Gli autori principali del documento sono Takashi Kitamura e Michele Pignatelli, postdottorato del Picower Institute.

Collegare i ricordi

I ricordi di eventi, noti come «ricordi episodici», contengono sempre tre elementi: cosa, dove e quando. Tali memorie sono create in una struttura del cervello chiamata ippocampo, che coordina ciascuno di questi tre elementi. Per formare ricordi episodici, l'ippocampo comunica anche con la regione della corteccia cerebrale appena fuori l'ippocampo, nota come «corteccia entorinale». La corteccia entorinale, che ha diversi strati, riceve informazioni sensoriali, come ad esempio immagini e suoni, dalle aree di elaborazione sensoriale del cervello e le invia all'ippocampo.

Precedenti ricerche avevano svelato molto su come il cervello collega il luogo e i componenti oggetto del ricordo. Alcuni neuroni nell'ippocampo, conosciuti come «cellule di posizione», sono specializzati nell'attivarsi quando un animale è in una posizione specifica, e anche quando l'animale ricorda quella posizione. Tuttavia, quando si tratta di associare oggetti e tempo, "la nostra comprensione è limitata", dice Tonegawa. "Qualcosa sappiamo, ma relativamente poco rispetto al meccanismo oggetto-luogo".

Il nuovo sudio su Science si basa su uno precedente del 2011 del laboratorio di Tonegawa, che aveva individuato un circuito cerebrale necessario ai topi per collegare ricordi di due eventi - un tono e una leggera scossa elettrica - che avvengono fino a 20 secondi di distanza. Questo circuito collega lo strato 3 della corteccia entorinale alla regione CA1 dell'ippocampo. Quando quel circuito, noto come «circuito monosinaptico», è interrotto, gli animali non imparano a temere il tono.

Nel nuovo documento, i ricercatori segnalano la scoperta di un circuito precedentemente sconosciuto che sopprime il circuito monosinaptico. Questo segnale ha origine in un tipo di neuroni eccitatori scoperto nel laboratorio di Tonegawa, soprannominato «cellule insulari» perché formano ammassi circolari all'interno dello strato 2. Quelle cellule stimolano i neuroni inibitori in CA1 che sopprimono l'insieme di neuroni eccitatori in CA1 attivati ​​dal circuito monosinaptico.

Questo circuito crea un contrappeso che limita la finestra di opportunità per legare due eventi. "Questo percorso potrebbe fornire un meccanismo per impedire l'apprendimento costante di associazioni temporali senza importanza", dice Michael Hasselmo, professore di psicologia alla Boston University, che non faceva parte del gruppo di ricerca. I risultati sono "una importante dimostrazione del ruolo funzionale delle diverse popolazioni di neuroni nella corteccia entorinale che forniscono stimoli all'ippocampo".

Decifrare i circuiti

Per dimostrare l'interazione di questi due circuiti i ricercatori hanno usato l'optogenetica, una tecnologia che consente a specifiche popolazioni di neuroni di essere accesi o spenti con la luce.

Nei topi normali, il divario di tempo massimo tra gli eventi che possono essere collegati è di circa 20 secondi, ma i ricercatori potrebbero allungare tale periodo aumentando l'attività del livello 3 di cellule o sopprimendo le cellule insulari del livello 2. Al contrario, si potrebbe ridurre la finestra di opportunità inibendo le cellule di livello 3 o stimolando input dalle cellule insulari del livello 2; entrambe le strategie danno lo spegnimento delle attività in CA1.

I ricercatori suppongono che l'attività prolungata in CA1 mantenga viva la memoria del tono abbastanza a lungo, in modo che sia ancora presente quando avviene lo shock, consentendo ai due ricordi di collegarsi. Essi stanno ora indagando se i neuroni in CA1 rimangono attivi per tutto il tempo che intercorre tra gli eventi.

La ricerca è stata finanziata dal RIKEN Brain Science Institute, dall'Howard Hughes Medical Institute, e dalla JPB Foundation.

Fonte:  Massachusetts Institute of Technology.

Riferimenti: Takashi Kitamura, Michele Pignatelli, Junghyup Suh, Keigo Kohara, Atsushi Yoshiki, Kuniya Abe, and Susumu Tonegawa. Island Cells Control Temporal Association Memory. Science, 23 January 2014 DOI: 10.1126/science.1244634

Pubblicato da Anne Trafton in web.mit.edu (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

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