Come memorizza il nostro cervello le informazioni? Cercando una risposta, ricercatori del CHU Sainte-Justine Hospital e dell'Université de Montréal hanno fatto una grande scoperta nella comprensione dei meccanismi alla base dell'apprendimento e della memoria.

I risultati del loro studio sono presenti in Nature Communications.

Il team, guidato dal prof. Roberto Araya, ha studiato la funzione e la trasformazione morfologica delle spine dendritiche, piccole sporgenze situate sui rami dei neuroni, durante la plasticità sinaptica, ritenuta il meccanismo alla base dell'apprendimento e della memoria.

"Siamo molto contenti perché questa è la prima volta che sono state scoperte le regole della plasticità sinaptica, un processo legato direttamente alla formazione della memoria nel cervello, in un modo che ci permette di comprendere meglio la plasticità e, infine, come si formano i ricordi quando i neuroni della neocorteccia cerebrale ricevono flussi singoli e/o multipli di informazioni sensoriali”, ha detto il prof. Araya.

Un 'albero' neuronale

Il cervello è costituito da miliardi di cellule nervose eccitabili chiamate neuroni. Sono specializzate nella comunicazione e nell'elaborazione delle informazioni. Araya ha detto:

“Immaginiamo un albero. Le radici sono rappresentate dall'assone, il tronco centrale dal corpo cellulare, i rami periferici dai dendriti e infine, le foglie dalle spine dendritiche. Queste migliaia di piccole foglie sono come porte che ricevono informazioni eccitatorie da altre cellule. Esse decidono se queste informazioni sono abbastanza significative da essere amplificate e diffuse ad altri neuroni.

“Questo è un concetto chiave, nel settore della trasformazione, dell'integrazione e della memorizzazione di informazioni e quindi della memoria e dell'apprendimento”.

I neuroni amplificano il 'volume'

Le spine dendritiche fungono da zona di contatto tra i vari neuroni ricevendo segnali (informazioni) di varia intensità. Se un segnale è persistente, viene attivato un meccanismo attraverso il quale i neuroni amplificano il 'volume' così da riuscire a 'sentire' meglio quella particolare informazione.

In caso contrario, le informazioni di 'volume' basso saranno ulteriormente abbassate così da passare inosservate. Questo fenomeno corrisponde alla plasticità sinaptica, che comporta il potenziamento o la depressione della forza sinaptica del segnale.

"Questa è la legge fondamentale della plasticità dipendente dal tempo (STDP, spike-timing-dependent plasticity), che regola la forza delle connessioni tra i neuroni nel cervello e si ritiene che contribuisca all'apprendimento e alla memoria", ha detto Sabrina Tazerart, coautrice dello studio.

Mentre la letteratura scientifica mostra questo fenomeno e come si connettono i neuroni, ancora non si conosceva la precisa organizzazione strutturale delle spine dendritiche e le regole che controllano l'induzione della plasticità sinaptica.

Leggi delle connessioni

Il gruppo di Araya è riuscito a fare luce sui meccanismi alla base della STDP. Il professore ha detto:

“Fino ad ora, non si sapeva come i segnali sinaptici (informazioni in arrivo) sono organizzati nell‘«albero neurale» e cosa esattamente induce una spina dendritica ad aumentare o diminuire la forza, o il volume, delle informazioni che passa. Il nostro obiettivo era estrarre le 'leggi della connettività sinaptica’ responsabili della costruzione dei ricordi nel cervello”.

Per lo studio, il suo gruppo ha impiegato modelli preclinici in una fase giovanile, un periodo critico per l'apprendimento e la memoria nel cervello. Utilizzando tecniche avanzate di microscopia a due fotoni che imitano i contatti sinaptici tra due neuroni, i ricercatori hanno scoperto una legge importante legata all'arrangiamento delle informazioni ricevute dalle spine dendritiche.

Il loro lavoro mostra che, a seconda del numero di segnali ricevuti (sinapsi) e della loro vicinanza, le informazioni verranno prese in considerazione e memorizzate in modo diverso.

“Abbiamo scoperto che se arriva più di un segnale all'interno di un piccolo pezzo del ramo di un albero, la cellula terrà sempre in considerazione queste informazioni importanti e aumenterà il loro volume”, ha detto la prima coautrice Diana E. Mitchell.

Una grande scoperta

Araya ha aggiunto:

"Questa è una scoperta importante. Le alterazioni strutturali e funzionali delle spine dendritiche, i principali destinatari di segnali da altri neuroni, sono spesso associate a condizioni neurodegenerative, come la sindrome X fragile o l'autismo, in quanto il paziente non riesce più a elaborare o memorizzare correttamente le informazioni.

“Ciò interrompe la logica di costruzione della memoria. Ora, attraverso la comprensione dei meccanismi alla base delle dinamiche delle spine dendritiche, e del loro impatto sul sistema nervoso, saremo in grado di sviluppare approcci terapeutici nuovi e più adattati”.