Lo studio rivela un nuovo ruolo educativo per la corteccia entorinale

Lo studio rivela un nuovo ruolo educativo per la corteccia entorinale

Una questione di vecchia data nelle neuroscienze è come il cervello dei mammiferi (compreso il nostro) si adatta agli ambienti esterni, alle informazioni e alle esperienze. In uno studio rivoluzionario pubblicato su Nature, i ricercatori del Jan and Dan Duncan Neurological Research Institute (Duncan NRI) del Texas Children's Hospital e del Baylor College of Medicine hanno scoperto i passaggi meccanicistici alla base di un nuovo tipo di plasticità sinaptica chiamata plasticità sinaptica comportamentale su scala temporale (BTSP). Lo studio condotto dal dottor Jeffrey Magee, professore al Baylor che è anche ricercatore dell'Howard Hughes Medical Institute e del Duncan NRI, mostra come la corteccia entorinale (CE) invia segnali istruttivi all'ippocampo -; la regione del cervello critica per la navigazione spaziale, la codifica e il consolidamento della memoria; e lo istruisce a riorganizzare specificamente la posizione e l'attività di un particolare sottoinsieme dei suoi neuroni per ottenere un comportamento alterato in risposta al suo ambiente mutevole e ai segnali spaziali.

I neuroni comunicano tra loro trasmettendo segnali elettrici o sostanze chimiche attraverso connessioni chiamate sinapsi. La plasticità sinaptica si riferisce alla capacità adattiva di queste connessioni neurali di diventare più forti o più deboli nel tempo in risposta diretta ai cambiamenti nel loro ambiente esterno. Questa capacità adattiva dei nostri neuroni di rispondere in modo rapido e accurato ai segnali esterni è fondamentale per la nostra sopravvivenza e crescita e costituisce la base neurochimica per l’apprendimento e la memoria.

L'attività cerebrale e il comportamento di un animale si adattano rapidamente ai cambiamenti spaziali

Per identificare il meccanismo alla base della capacità del cervello dei mammiferi di apprendere in modo adattivo, la dott.ssa Christine Grienberger, ricercatrice post-dottorato nel laboratorio Magee e autrice principale dello studio, ha misurato l'attività di un gruppo specifico di cellule posizionali, che sono neuroni ippocampali specializzati che creano e aggiornano "mappe" di ambienti esterni. Ha attaccato un potente microscopio al cervello di questi topi e ha misurato l’attività di queste cellule mentre i topi correvano su un tapis roulant lineare.

Nella fase iniziale, i topi erano abituati a questa configurazione sperimentale e la posizione della ricompensa (acqua zuccherata) veniva cambiata ad ogni round. "In questa fase, i topi correvano continuamente alla stessa velocità mentre leccavano continuamente la pista. Ciò significava che le cellule in questi topi formavano uno schema di piastrellatura uniforme", ha detto il dottor Grienberger, che attualmente è assistente professore alla Brandeis University.

Nella fase successiva, ha attaccato la ricompensa a un punto specifico del percorso insieme ad alcuni segnali visivi per orientare i topi e ha misurato l’attività dello stesso gruppo di neuroni.

Ho visto che cambiare la posizione della ricompensa ha cambiato il comportamento di questi animali. I topi si sono poi fermati poco prima del punto di ricompensa per assaggiare l’acqua zuccherata. E, cosa ancora più interessante, questo cambiamento comportamentale è stato accompagnato da una maggiore densità e attività delle cellule posizionate attorno al sito della ricompensa. Ciò suggerisce che i cambiamenti nei segnali spaziali possono portare alla riorganizzazione adattativa e all’attività dei neuroni dell’ippocampo”.

Dott.ssa Christine Grienberger, Professore assistente, Università di Brandeis

eBook sulle neuroscienze

Raccolta delle migliori interviste, articoli e notizie dell'ultimo anno. Scarica una copia oggi

Questo paradigma sperimentale ha permesso ai ricercatori di esaminare come i cambiamenti nei segnali spaziali modellano il cervello dei mammiferi per produrre nuovi comportamenti adattivi.

Per più di 70 anni, la teoria hebbiana, colloquialmente riassunta come “neuroni che si attivano insieme, si collegano insieme”, ha dominato la visione dei neuroscienziati su come le sinapsi si rafforzano o si indeboliscono nel tempo. Sebbene questa teoria ben studiata costituisca la base per numerosi progressi nel campo delle neuroscienze, presenta alcune limitazioni. Nel 2017, i ricercatori del laboratorio Magee hanno scoperto un nuovo e potente tipo di plasticità sinaptica – Behavioral Timescale Synaptic Plasticity (BTSP) – che supera queste limitazioni e fornisce un modello che imita al meglio la scala temporale di come apprendiamo o ricordiamo eventi correlati nella vita reale.

Utilizzando il nuovo paradigma sperimentale, il Dr. Grienberger ha scoperto che nella seconda fase, i neuroni delle cellule place precedentemente silenziose acquisivano improvvisamente grandi campi place in un unico round dopo che era stata stabilita la posizione della ricompensa. Questa scoperta è coerente con una forma non hebbiana di plasticità e apprendimento sinaptico. Ulteriori esperimenti hanno confermato che i cambiamenti adattativi osservati nelle cellule dell’ippocampo e nel comportamento di questi topi erano effettivamente dovuti al BTSP.

La corteccia entorinale istruisce le cellule dell'ippocampo su come rispondere ai cambiamenti spaziali

Sulla base di studi precedenti, il team di Magee sapeva che il BTSP comporta un segnale istruttivo/di monitoraggio che non è necessariamente all’interno o adiacente ai neuroni bersaglio attivati ​​(in questo caso, le cellule dell’ippocampo). Per identificare l’origine di questo segnale didattico, hanno esaminato le proiezioni assonali di una regione cerebrale vicina chiamata corteccia entorinale (EC), che innerva l’ippocampo e funge da gateway tra l’ippocampo e le regioni neocorticali che controllano i processi esecutivi/decisionali superiori.

"Abbiamo scoperto che l'inibizione mirata di un sottoinsieme di assoni EC che innervano i neuroni dell'ippocampo CA1 da cui abbiamo registrato ha impedito lo sviluppo di sovrarappresentazioni della ricompensa CA1 nel cervello", ha affermato il dott. Magee.

Sulla base di diverse linee di indagine, hanno concluso che la corteccia entorinale fornisce un segnale di istruzione target relativamente invariante che ordina all'ippocampo di riorganizzare la posizione e l'attività delle cellule posizionali, che a loro volta influenzano il comportamento dell'animale.

"La scoperta che una parte del cervello (complesso entorinale) può istruire un'altra regione del cervello (ippocampo) a cambiare la posizione e l'attività dei suoi neuroni (cellule di posizione) è una scoperta straordinaria nel campo delle neuroscienze", ha aggiunto il dottor Magee. “Cambia completamente la nostra visione di come si verificano cambiamenti dipendenti dall’apprendimento nel cervello e rivela nuove possibilità che trasformeranno e guideranno il nostro approccio alle malattie neurologiche e neurodegenerative in futuro”.

Questo studio è stato finanziato dall'Howard Hughes Medical Institute, dalla Cullen Foundation e dal Jan and Dan Duncan Neurological Research Institute presso il Texas Children's Hospital.

Fonte:

Ospedale pediatrico del Texas

Riferimento:

Grienberger, C & Magee, JC, (2022) La corteccia entorinale controlla i cambiamenti legati all'apprendimento nelle rappresentazioni CA1. Natura. doi.org/10.1038/s41586-022-05378-6.

.