Ricerche
Come il cervello codifica il tempo e il luogo di un ricordo
Nell'immagine si vedono 'cellule-oceano' (rosso) e 'cellule-isola' (blu) entorinali. La fluorescenza verde indica cellule-oceano modificate geneticamente. (Fonte: Takashi Kitamura)Quando si ricorda una particolare esperienza, si abbinano tre elementi critici: cosa, quando e dove.
Neuroscienziati del MIT hanno ora identificato un circuito cerebrale che elabora i componenti 'quando' e 'dove' del ricordo.
Questo circuito, che collega l'ippocampo e una regione della corteccia chiamata «corteccia entorinale», separa posizione e ora in due flussi di informazioni.
I ricercatori hanno anche identificato due popolazioni di neuroni nella corteccia entorinale che trasmettono queste informazioni, soprannominate 'cellule-oceano' e 'cellule-isola'.
I modelli precedenti della memoria avevano suggerito che l'ippocampo, una struttura del cervello fondamentale per la formazione della memoria, separa le informazioni di tempo e di contesto. Tuttavia, il nuovo studio dimostra che questa informazione è divisa ancora prima di raggiungere l'ippocampo.
"Questo indica che c'è una dicotomia della funzione a monte dell'ippocampo", dice Chen Sun, studente laureato del MIT in scienze cerebrali e cognitive e uno degli autori principali della ricerca, apparsa il 23 settembre su Neuron. "C'è un percorso che fornisce informazioni temporali nell'ippocampo, e un altro che alimenta rappresentazioni contestuali nell'ippocampo".
L'altro autore principale del documento è Takashi Kitamura, postdottorato del MIT. L'autore senior è Susumu Tonegawa, professore di Biologia e Neuroscienze e direttore del RIKEN-MIT Center for Neural Circuit Genetics al Picower Institute for Learning and Memory del MIT. Altri autori sono l'assistente tecnico Jared Martin del Picower Institute, Lacey Kitch (studente laureato) e Mark Schnitzer (professore associato di biologia e fisica applicata) della Stanford University.
Quando e dove
La corteccia entorinale, situata appena fuori l'ippocampo, trasmette le informazioni sensoriali provenienti da altre aree corticali all'ippocampo, dove si formano i ricordi. Tonegawa e colleghi hanno identificato pochi anni fa le cellule-isola e le cellule-oceano, e hanno lavorato da allora per scoprire le loro funzioni.
Nel 2014, il laboratorio di Tonegawa ha riferito che le cellule-isola, che formano piccoli gruppi circondati da cellule-oceano, sono necessarie perchè il cervello possa formare ricordi che collegano due eventi che si verificano in rapida successione. Nel nuovo studio su Neuron, il team ha scoperto che le cellule-oceano sono necessarie per creare rappresentazioni del luogo in cui è accaduto un evento.
"Le cellule-oceano sono importanti per le rappresentazioni contestuali", dice Sun. "Quando sei in biblioteca, quando attraversi la strada, quando sei in metropolitana, ci sono diversi ricordi associati con ciascuno di questi contesti".
Per scoprire queste funzioni, i ricercatori hanno marcato le due popolazioni cellulari con una molecola fluorescente che si illumina quando si lega al calcio, un'indicazione che il neurone sta 'sparando'. Questo ha permesso loro di determinare quali cellule erano attive durante i compiti che chiedono ai topi di discriminare tra due ambienti diversi, o di collegare due eventi nel tempo.
I ricercatori hanno usato una tecnica chiamata anche optogenetica, che permette loro di controllare l'attività dei neuroni usando la luce, per studiare come cambia il comportamento dei topi quando cellule-isola o cellule-oceano sono silenziate.
Quando hanno bloccato l'attività delle cellule-oceano, gli animali non erano più in grado di associare un determinato ambiente con la paura, dopo aver ricevuto una scossa al piede. La manipolazione delle cellule-isola, nel frattempo, ha permesso ai ricercatori di allungare o accorciare l'intervallo di tempo tra gli eventi che potrebbero essere collegati nella memoria dei topi.
Flusso di informazioni
In precedenza, il laboratorio di Tonegawa ha scoperto che i tassi di 'sparo' delle cellule-isola dipendono dalla velocità di movimento dell'animale, portando i ricercatori a credere che le cellule-isola aiutano l'animale a trovare la strada nello spazio. Le cellule-oceano, nel frattempo, aiutano l'animale a riconoscere dove si trova in un dato momento.
I ricercatori hanno anche scoperto che questi due flussi di informazioni vanno dalla corteccia entorinale a diverse parti dell'ippocampo: le cellule-oceano inviano le loro informazioni contestuali alle regioni CA3 e giro dentato, mentre le cellule-isola le inviano alle cellule della CA1.
Il laboratorio di Tonegawa sta portando avanti ulteriori studi sul modo in cui la corteccia entorinale e altre parti del cervello rappresentano tempo e luogo. I ricercatori stanno anche studiando come le informazioni sui tempi e la posizione vengono ulteriormente elaborate nel cervello per creare un ricordo completo di un evento.
"Per formare un ricordo episodico, ogni componente deve essere ricombinato insieme", dice Kitamura. "Questa è la domanda successiva".
Fonte: Anne Trafton in Massachusetts Institute of Technology (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.
Riferimenti: Takashi Kitamura, Chen Sun, Jared Martin, Lacey J. Kitch, Mark J. Schnitzer, Susumu Tonegawa. Entorhinal Cortical Ocean Cells Encode Specific Contexts and Drive Context-Specific Fear Memory. Neuron, 2015; DOI: 10.1016/j.neuron.2015.08.036
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