Mentre i topi di controllo si muovono lungo una pista, la mappa cerebrale del loro ambiente viene regolarmente aggiornata attraverso i circuiti neurali nell'ippocampo (lato sinistro dell'immagine). Nel topo mutante, la mancanza di input dalla zona CA3 dell'ippocampo, rende disordinato il codice neurale che rappresenta la posizione da dove viene (codifica del passato) e dove sta andando (codifica del futuro), e rimane intatta solo la posizione corrente (lato destro dell'immagine).
Proprio come i membri di un'orchestra hanno bisogno di un direttore per mantenere il ritmo, i neuroni nel cervello hanno bisogno di ondate di attività ben temporizzate per organizzare i ricordi nel tempo.

Nell'ippocampo (il centro della memoria del cervello) l'ordinamento temporale del codice neurale è importante per la costruzione di una mappa mentale di dove sei stato, dove sei, e dove stai andando.

Una ricerca del RIKEN Brain Science Institute in Giappone, pubblicata il 30 Maggio su Nature Neuroscience, ha individuato come mantengono il ritmo i neuroni dei topi che rappresentano lo spazio.

Come un topo si muove nel suo ambiente, la zona centrale dell'ippocampo chiamata CA1 si basa su onde ritmiche di input neurale da aree cerebrali vicine per produrre una mappa aggiornata dello spazio. Quando i ricercatori hanno spento l'input dalla zona vicina CA3 dell'ippocampo, le mappe rinfrescate sono diventate confuse.

Anche se i topi potevano comunque eseguire un semplice compito di navigazione, e i segnali provenienti da singoli neuroni sembravano rappresentare lo spazio in modo accurato, il codice a livello di popolazione, o 'orchestra' era fuori tempo e conteneva errori. "La musica neurale non era cambiata", ha detto l'autore senior Thomas McHugh, "ma silenziare l'input della CA3 alla CA1 nell'ippocampo ha fatto fuori il direttore".

McHugh e il co-autore Steven Middleton sono riusciti a raggiungere questo risultato con topi progettati geneticamente per esprimere una tossina nervosa nella CA3 che spegne le giunzioni sinaptiche tra CA3 e altre aree cerebrali. L'attività neuronale complessiva è stata conservata, ma con la comunicazione sinaptica effettivamente ammutolita, hanno potuto misurare l'impatto della rimozione dell'input della CA3 sulla mappa spaziale nella zona CA1.

Mentre i topi andavano su e giù per un tragitto, gli autori hanno registrato diversi neuroni singoli e la corrente elettrica complessiva di un ampio gruppo di neuroni, chiamati «potenziali di campo locale». Questo ha permesso loro di monitorare ogni ciclo theta, il periodo di tempo durante il quale l'ippocampo aggiorna la sua mappa neuronale dello spazio mentre il topo si sposta.

Confrontando l'attività individuale e quella della popolazione, nei topi normali e in quelli transgenici, hanno fatto una osservazione apparentemente paradossale. Mentre i topi transgenici si spostavano nel recinto, dei singoli neuroni hanno continuato ad aggiornare la loro attività a intervalli regolari di 8 Hz, chiamata «fase precessione a ciclo theta». Questa organizzazione ciclica delle informazioni, tuttavia, era assente nella popolazione di neuroni. "Senza l'input dalla CA3, non c'era alcuna organizzazione globale dei segnali neurali in tutto il ciclo theta per definire da dove proveniva il topo o dove stava andando", ha detto McHugh.

La scoperta della mappa mentale dello spazio nell'ippocampo ha avuto il premio Nobel 2014 per la Fisiologia e la Medicina, ma non si conoscevano ancora i circuiti che collegano gli insiemi di cellule di posizione, che vengono usati anche per l'elaborazione della memoria, e come si aggiornano in tempo reale. La mancanza dell'input della CA3 compromette la previsione accurata della posizione spaziale dal codice neurale nel complesso.

Il topo sa ancora dove si trova, ma compaiono piccoli errori nella rappresentazione dello spazio di singoli neuroni, perchè la CA3 non dirige l'insieme della CA1. "Se i neuroni non si attivano in sequenza, non è possibile organizzare i ricordi nel tempo", dice McHugh. "Sia i topi che i esseri umani hanno bisogno dell'organizzazione temporale per arrivare da qui a lì, per prendere decisioni e raggiungere gli obiettivi".

Se fosse possibile fermare la CA3 negli esseri umani, secondo McHugh, i ricordi probabilmente diventerebbero inutili e confusi. Del lavoro precedente con questi stessi topi aveva indicato un ruolo simile per i neuroni CA3 nell'organizzare le informazioni durante il sonno, un processo necessario per la conservazione della memoria a lungo termine.

Anche se i singoli neuroni dell'ippocampo continuano a funzionare, questo studio dimostra che l'orchestra neurale ha bisogno dell'input della CA3 come direttore d'orchestra. Ciò significa che diverse strategie di codifica neurale sono dissociate ma interdipendenti nel cervello.

Forse ancora più importante, gli autori hanno osservato una diminuzione delle oscillazioni neurali caratteristiche della comunicazione CA3-verso-CA1. Le interruzioni di queste oscillazioni sono state identificate in malattie che vanno dalla schizofrenia all'Alzheimer e una comprensione più profonda del modo in cui i ritmi del cervello organizzano le informazioni potrebbe far luce sui meccanismi del circuito in questi disturbi.