Ricerche

Nel nuovo studio, i pazienti hanno eseguito diversi compiti nella realtà virtuale per aiutare gli scienziati a capire come il cervello forma una mappa del mondo. Fonte: Lukas Kunz

Un tipo di cellula del cervello umano finora sconosciuto sembra aiutare le persone a mettersi al centro delle mappe personali del mondo, secondo un nuovo studio di neuroscienziati della Columbia University. Questa scoperta fa luce sui meccanismi cellulari alla base della navigazione e della memoria nell'uomo, così come sulle parti del cervello che potrebbero essere interrotte durante i tipi comuni di deterioramento delle malattie neurodegenerative come l'Alzheimer.

Ci sono due strategie con cui gli umani e gli animali si muovono e si orientano. Uno comporta la localizzazione di luoghi, distanze e indicazioni in fotogrammi di riferimento 'allocentrici' o centrati in altro modo, radicati nel mondo esterno. L'altra strategia comporta fotogrammi di riferimento 'egocentrici', che sono centrati su di sé.

Ogni volta che usi un'app per cellulare per trovare il percorso, probabilmente impiegherai entrambi questi modi di navigazione. Quando scrivi per la prima volta un indirizzo, ti mostrerà normalmente l'indirizzo su una mappa da una prospettiva allocentrica, con 'nord' in cima e 'sud' in basso. Quando vai alla vista del percorso, passerà a una prospettiva egocentrica in cui 'avanti' è in alto e 'indietro' è in basso.

Gli scienziati hanno scoperto per la prima volta le cellule cerebrali collegate ai fotogrammi allocentrici di riferimento nei ratti nel 1971 ('cellule di posizione') che possono, per esempio, indicare che ti trovi nell'angolo nord-orientale di un'area. Altri tipi di cellule spaziali allocentriche includono le cellule di orientamento che possono attivarsi ogni volta che stai navigando verso sud o le cellule di confine che possono rispondere quando un confine si trova a ovest.

Nell'ultimo decennio, i ricercatori hanno iniziato a studiare come il cervello di ratto mappa i fotogrammi di riferimento egocentrici. Due anni fa, gli scienziati del Dartmouth College di Hannover/New Hampshire, hanno identificato una regione del cervello dei ratti chiamata 'corteccia postrinale' in cui le cellule sintonizzate egocentricamente sono abbondanti. Tuttavia, non si sapeva ancora quali cellule cerebrali costituiscono la base di mappe spaziali egocentriche negli esseri umani.

"Nell'uomo solo raramente é possibile registrare direttamente l'attività dei singoli neuroni dal cervello, per ragioni etiche", ha dichiarato Lukas Kunz, postdottorato del Dipartimento di Ingegneria Biomedica della Columbia University. "Ci sono tecniche come fMRI o EEG, che ci permettono di misurare indirettamente l'attività neurale nel cervello umano sano, ma questa attività neurale riflette l'attività della somma di milioni di neuroni, non consentendo conclusioni dirette sui principi di lavoro dei singoli neuroni".

Nel nuovo studio, neuroscienziati statunitensi e tedeschi hanno studiato 15 pazienti con epilessia al Centro Medico dell'Università del Friburgo in Germania. A questi volontari erano stati impiantati degli elettrodi per aiutare i medici a monitorare il loro disturbo.

I ricercatori hanno chiesto ai volontari di eseguire attività al computer per esaminare la loro capacità di navigare negli ambienti virtuali e ricordare dove si trovano molti oggetti diversi. Allo stesso tempo, gli scienziati hanno registrato l'attività di oltre 1.400 neuroni singoli in più regioni cerebrali su tutti i partecipanti.

Gli scienziati hanno identificato più di 160 neuroni che si sono comportati come cellule spaziali egocentriche, attivandosi quando parti specifiche dell'ambiente virtuale erano davanti, dietro, a sinistra o a destra del paziente, o quando i punti nello spazio erano vicini o molto lontani dai pazienti. "Ora siamo i primi a riferire tipi di cellule spaziali egocentriche negli esseri umani", ha detto Kunz.

Gli scienziati hanno pubblicato il loro studio su Neuron il 14 luglio 2021. Queste 'cellule egocentriche' probabilmente codificano informazioni spaziali su una mappa mentale centrata su ogni persona. "Questo presumibilmente è importante per la vita di tutti i giorni, quando gli umani cercano di orientarsi nel loro ambiente e quando navigano lungo percorsi", ha detto Joshua Jacobs, professore associato di ingegneria biomedicale alla Columbia e autore senior dello studio.

Queste cellule egocentriche erano particolarmente ampie nella corteccia paraippocampale, una regione situata nel profondo del cervello che il lavoro precedente aveva suggerito essere l'equivalente umano della corteccia postrinale del topo. Le cellule egocentriche comprendono circa il 25% di tutti i neuroni nella corteccia paraippocampale. "Gli studi precedenti avevano dimostrato che i pazienti con danni a questa regione del cervello sono disorientati, presumibilmente perché le loro cellule egocentriche sono state colpite", ha detto Kunz.

I ricercatori hanno anche trovato che queste cellule egocentriche mostrano un aumento di attività quando i pazienti usano la memoria per richiamare con successo le posizioni degli oggetti che avevano trovato nell'ambiente virtuale.
"Questo suggerisce che queste cellule non sono solo rilevanti per la navigazione, ma hanno anche un ruolo nel ricordare correttamente esperienze passate", ha detto Kunz. "I ricordi consistono in più elementi diversi, come l'evento specifico, il luogo e il tempo in cui è successo. Riteniamo che ci siano diversi sistemi neurali per i diversi componenti di questi ricordi. Le cellule egocentriche sono presumibilmente coinvolte nel trattamento delle informazioni spaziali dei ricordi".

Questi risultati possono chiarire cosa potrebbe andare storto nelle persone con deficit di memoria, compresi i pazienti con malattie neurodegenerative come l'Alzheimer. "Le loro cellule egocentriche non funzionano correttamente, o potrebbero essere state distrutte per qualche motivo, come un ictus, un tumore cerebrale o una demenza", ha detto Jacobs.

Però queste nuove scoperte non rispondono alla domanda di come si potrebbero affrontare tali deterioramenti di memoria. "C'è ancora molta ricerca da fare prima che il deterioramento della memoria possa essere trattato con successo", ha avvertito Kunz.

In futuro, i ricercatori vogliono capire esattamente perché qualsiasi cellula egocentrica si sintonizza su qualsiasi punto nello spazio su cui si concentra. Attualmente, Kunz e i suoi colleghi assumono che si combinano diversi spunti spaziali diversi, come oggetti, confini spaziali e riferimenti fisici, per influenzare la posizione di questi punti di riferimento.

Gli scienziati possono esaminare l'influenza di questi indizi sulla posizione di questi punti di riferimento rimuovendo questi indizi dall'ambiente durante gli esperimenti.

"Un'altra domanda importante è il modo in cui le cellule egocentriche interagiscono con i tipi di cellule spaziali allocentriche", ha detto Kunz. "Attualmente ipotizziamo che le cellule egocentriche forniscono segnali essenziali ai tipi di cellule spaziali allocentriche. Nel comprenderlo, gli studi futuri potrebbero spiegare come la sintonizzazione dei tipi di cellule spaziali allocentriche è influenzata dal funzionamento delle cellule egocentriche".