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L'Assemblea Nobel del Karolinska Institutet ieri ha deciso di assegnare il Premio Nobel 2014 per la Fisiologia e la Medicina congiuntamente a John O'Keefe e a May-Britt Moser e Edvard I. Moser per le loro scoperte sulle cellule che sovrintendono al sistema di posizionamento nel cervello.

Come facciamo a sapere dove siamo? Come possiamo trovare la strada da un luogo ad un altro? E come possiamo memorizzare queste informazioni in modo tale da trovare immediatamente la strada la prossima volta che seguiamo lo stesso percorso?

I vincitori del Nobel di quest'anno hanno scoperto un sistema di posizionamento, un "GPS interno" del cervello, che permette di orientarci nello spazio, dimostrando la base cellulare di una delle funzioni cognitive superiori.

Nel 1971, John O'Keefe ha scoperto il primo componente di questo sistema di posizionamento. Ha scoperto che un tipo di cellule nervose, in una zona del cervello chiamata ippocampo, si attivava sempre quando un topo era in un certo luogo di una stanza. Altre cellule nervose si attivavano quando il ratto era in altri luoghi. O'Keefe ha concluso che queste "cellule di luogo" formano una mappa della stanza.

Più di trent'anni dopo, nel 2005, May-Britt e Edvard Moser hanno scoperto un altro componente chiave del sistema di posizionamento del cervello. Essi hanno identificato un altro tipo di cellule nervose, che hanno chiamato "cellule di griglia", che generano un sistema di coordinate e consentono un preciso posizionamento ed esplorazione. La loro ricerca successiva ha dimostrato come le cellule di luogo e di griglia consentono di determinare la posizione e di navigare.

Le scoperte di John O'Keefe, May-Britt Moser e Edvard Moser hanno risolto un problema che aveva impegnato filosofi e scienziati per secoli: come fa il cervello a creare una mappa dello spazio che ci circonda e come possiamo trovare la strada in un ambiente complesso?

Come sperimentiamo il nostro ambiente?

Il senso di luogo e la possibilità di orientarsi sono fondamentali per la nostra esistenza. Il senso del luogo dà una percezione di posizione nell'ambiente. Mentre si procede, [il senso del luogo] è interconnesso con un senso di distanza che si basa sul movimento e sulla conoscenza delle posizioni precedenti.

Le domande sul posto e sulla percorrenza hanno impegnato filosofi e scienziati per un lungo periodo di tempo. Più di 200 anni fa, il filosofo tedesco Immanuel Kant sosteneva che alcune abilità mentali esistono come conoscenza a priori, indipendentemente dall'esperienza. Egli considerava il concetto di spazio come principio integrato nella mente, attraverso il quale il mondo è e deve essere percepito. Con l'avvento della psicologia comportamentale alla metà del 20° secolo, queste domande hanno potuto essere affrontate sperimentalmente. Quando Edward Tolman ha esaminato i ratti che si muovevano nei labirinti, scoprì che potevano imparare a percorrerli, e ha proposto che fosse una "mappa cognitiva" nel cervello a permettere loro di trovare la strada. Ma restavano ancora altre domande: come potrebbe essere rappresentata una tale mappa nel cervello?

John O'Keefe e il luogo nello spazio

John O'Keefe era affascinato dal problema del modo in cui il cervello controlla il comportamento e ha deciso, alla fine del 1960, di affrontare la questione con metodi neurofisiologici. Quando ha registrato i segnali provenienti da singole cellule nervose dell'ippocampo di ratti che si muovevano liberamente in una stanza, O'Keefe ha scoperto che alcune cellule nervose si attivavano quando l'animale si trovava in un posto particolare dell'ambiente. Egli è riuscito a dimostrare che queste "cellule di luogo" non stavano semplicemente registrando uno stimolo visivo, ma stavano costruendo una mappa interna dell'ambiente. O'Keefe ha concluso che l'ippocampo genera numerose mappe, rappresentate dall'attività collettiva delle cellule di luogo che si attivano in ambienti diversi. Pertanto, il ricordo di un ambiente può essere memorizzato come una combinazione specifica di attività delle cellule di luogo nell'ippocampo.

May-Britt e Edvard Moser trovano le coordinate

La May-Britt e Edvard Moser stavano mappando dei collegamenti con l'ippocampo di ratti che si muovevano in una stanza quando hanno scoperto un modello sorprendente di attività in una parte vicina del cervello chiamata corteccia entorinale. Qui, alcune cellule erano attivate quando il topo passava su più posizioni disposte in una griglia esagonale. Ognuna di queste cellule era attivata in un modello spaziale unico e nell'insieme queste "celle di griglia" costituiscono un sistema di coordinate che permette la navigazione spaziale. Insieme ad altre cellule della corteccia entorinale che riconoscono la direzione della testa e il bordo della stanza, formano circuiti con le cellule di luogo nell'ippocampo. Questo circuito costituisce un sistema globale di posizionamento, un GPS interno del cervello.

Un posto per le mappe nel cervello umano

Recenti indagini con tecniche di scansione cerebrale, così come gli studi di pazienti sottoposti a neurochirurgia, hanno fornito la prova che esistono cellule di luogo e di griglia anche negli esseri umani. Nei pazienti con Alzheimer, l'ippocampo e la corteccia entorinale sono spesso colpiti nella fase iniziale, e queste persone spesso perdono la strada e non sono in grado di riconoscere l'ambiente. La conoscenza del sistema di posizionamento interno del cervello può, quindi, aiutare a comprendere il meccanismo alla base della perdita devastante della memoria spaziale che colpisce le persone con questa malattia.

La scoperta del sistema di posizionamento del cervello rappresenta un cambiamento di paradigma nella comprensione del modo in cui gruppi di cellule specializzate lavorano insieme per eseguire le funzioni cognitive superiori. Essa ha aperto nuove strade per la comprensione di altri processi cognitivi, come la memoria, il pensiero e la pianificazione.

Pubblicazioni principali:

• O'Keefe, J., and Dostrovsky, J. (1971). The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely‐moving rat. Brain Research 34, 171-175.
• O´Keefe, J. (1976). Place units in the hippocampus of the freely moving rat. Experimental Neurology 51, 78-109.
• Fyhn, M., Molden, S., Witter, M.P., Moser, E.I., Moser, M.B. (2004) Spatial representation in the entorhinal cortex. Science 305, 1258-1264.
• Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser, M.B., and Moser, E.I. (2005). Microstructure of spatial map in the entorhinal cortex. Nature 436, 801-806.
• Sargolini, F., Fyhn, M., Hafting, T., McNaughton, B.L., Witter, M.P., Moser, M.B., and Moser, E.I. (2006). Conjunctive representation of position, direction, and velocity in the entorhinal cortex. Science 312, 758-762.

Fonte: Nobel Foundation (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

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