Ricerche

Neuroscienziati della Columbia University hanno rivelato che una semplice regione del cervello, nota per elaborare le informazioni sensoriali di base, può anche guidare attività complesse di attività mentale.

Il nuovo studio sui topi ha dimostrato che le cellule della corteccia somatosensoriale, l'area del cervello responsabile del tatto, hanno anche un ruolo chiave nell'apprendimento della ricompensa, il tipo sofisticato di apprendimento che consente al cervello di associare un'azione a un risultato piacevole.

È la base del modo in cui colleghiamo il lavoro allo stipendio, o quel voto 8 allo studio che abbiamo fatto per preparare l'esame. La nuova ricerca, pubblicata ieri su Cell Reports, dimostra che l'apprendimento e la memoria non sono relegati in alcune regioni selezionate, ma possono invece permeare il cervello.

"Il nostro cervello è abile nel creare connessioni, o associazioni, tra informazioni apparentemente disparate, ma dove sono archiviate queste associazioni è rimasta una questione irrisolta", ha detto Randy Bruno PhD, ricercatore della Columbia e autore senior della ricerca. "Con la ricerca di oggi, non solo abbiamo visto queste associazioni formarsi in tempo reale a livello delle singole cellule cerebrali, ma abbiamo anche dimostrato che questo tipo di apprendimento si verifica in una regione del cervello che non si pensava avesse la capacità di farlo".

La maggior parte delle cellule è costituita da un corpo cellulare, ma i neuroni hanno una forma più complicata; hanno rami che sporgono verso l'esterno dal loro corpo. Questi rami simili ad alberi, chiamati dendriti, possono estendersi da una singola cellula a migliaia, collegando e inviando impulsi elettrici ai dendriti dai neuroni vicini.

L'organizzazione e la disposizione dei dendriti è particolarmente intrigante nella corteccia cerebrale somatosensoriale. Come una torta multistrato, contiene sei diversi livelli. Ogni strato ha un aspetto leggermente diverso.

"I neuroni nella corteccia somatosensoriale si trovano in profondità negli strati 5 o 6, ma i loro dendriti si estendono bene nello strato più in alto", ha detto il dottor Bruno, che è anche professore associato di neuroscienze alla Columbia. "Il risultato è una rete intricata di dendriti che riempiono lo strato superiore della corteccia somatosensoriale, come la volta di una fitta foresta".

Durante il monitoraggio dell'attività in quei dendriti, i ricercatori hanno addestrato i topi a svolgere un semplice compito sensoriale. I topi usavano i loro baffi per percepire un piccolo palo in una stanza buia. Una volta trovato il palo, gli animali muovevano una leva che rilasciava acqua come ricompensa.

"Dato che questo compito coinvolgeva il senso del tatto degli animali, ci aspettavamo che i dendriti nella corteccia somatosensoriale sparassero quando i baffi toccavano il palo, cosa che facevano", ha detto il dottor Bruno. "Ma durante la seconda parte del compito, quando l'animale riceveva la ricompensa dell'acqua, quegli stessi dendriti sparavano una seconda volta - qualcosa che non ci aspettavamo".

Quell'osservazione, che collegava direttamente i dendriti sensoriali all'apprendimento della ricompensa, era sconcertante. L'apprendimento dei premi è il processo attraverso il quale il cervello collega una sequenza di azioni a una sensazione di benessere, ed è quindi più probabile che ripeta quelle azioni. Decenni di ricerca hanno dimostrato che l'apprendimento della ricompensa è guidato da varie regioni del cervello, ma si è rivolta poca attenzione alla corteccia sensoriale.

Al contrario, la saggezza convenzionale sosteneva che la corteccia sensoriale trasmette semplicemente informazioni di base su uno stimolo esterno, come i baffi che toccano un palo. Questa informazione viene inviata ad una corteccia associativa, che raccoglie e organizza le informazioni per un'ulteriore elaborazione nella corteccia frontale, una delle regioni più sofisticate del cervello.

"I nostri risultati suggeriscono che il cervello inizia ad imparare associazioni complesse prima di quanto si pensasse in precedenza", ha detto il dott. Bruno.

In effetti, quando i ricercatori hanno rimosso il palo, gli animali che erano stati addestrati nell'operazione hanno avuto un'altra sorpresa in serbo. I dendriti somatosensoriali degli animali sparavano ancora quando veniva data loro dell'acqua. Al contrario, l'acqua non aveva alcun effetto sull'attività neurale negli animali che non avevano mai appreso il compito, dimostrando che l'associazione era acquisita.

Per quanto riguarda il motivo per cui il cervello potrebbe essersi evoluto per utilizzare cellule cerebrali apparentemente semplici per l'apprendimento, il dott. Bruno propone che possa essere un modo per il cervello di ottenere un vantaggio.

"Le associazioni semplici possono essere apprese più velocemente e meglio se le aree sensoriali primarie affrontano parte del lavoro all'inizio", ha affermato il dott. Bruno. "Ad esempio, imparando che i segnali STOP sono rossi e hanno una forma specifica, puoi iniziare a frenare molto prima di leggere effettivamente le lettere STOP, un'abilità che ha chiari vantaggi per la sopravvivenza".

Andando avanti, una delle domande chiave senza risposta è se dietro la sensazione di benessere che guida l'apprendimento della ricompensa c'è un rilascio chimico nella corteccia somatosensoriale.

"La sostanza chimica dopamina è il principale fattore di apprendimento della ricompensa in altre aree del cervello, ma la dopamina è largamente assente nella corteccia somatosensoriale", ha detto il dott. Bruno. "Ci deve essere un altro neuromodulatore comparabile in gioco, e questo è qualcosa che stiamo esplorando attivamente".