Ricerche

Dei neuroscienziati hanno dimostrato come il cervello migliora la sua capacità di distinguere tra esperienze simili, risultati che potrebbero portare a trattamenti per l'Alzheimer e altri disturbi della memoria

Pensa a un momento in cui hai avuto due esperienze diverse, ma simili, in un breve periodo: forse hai partecipato a due feste nella stessa settimana o hai fatto due presentazioni al lavoro. Poco dopo, potresti trovarti a confondere le due esperienze, ma col passare del tempo quella confusione recede e sei in grado di distinguere tra questi diversi eventi.

Una nuova ricerca pubblicata su Nature Neuroscience rivela che questo processo si verifica a livello cellulare, una scoperta fondamentale per capire e trattare i disturbi della memoria, come il morbo di Alzheimer (MA).

Engrammi dinamici conservano i ricordi

La ricerca si è concentrata sugli engrammi, che sono cellule neuronali nel cervello che immagazzinano informazioni sulla memoria. Dheeraj S. Roy PhD, uno degli autori senior dello studio, assistente professore nel Dipartimento di Fisiologia e Biofisica all'Università di Buffalo, afferma:

"Gli engrammi sono neuroni che si riattivano per supportare il richiamo della memoria. Quando gli engrammi si interrompono, c'è amnesia".

"Nei minuti e ore che seguono immediatamente un evento, il cervello deve consolidare l'engramma per conservarlo. Volevamo sapere cosa succede durante questo processo di consolidamento, cosa succede tra il tempo in cui si forma un engramma e quando devi richiamare quel ricordo in seguito?".

I ricercatori hanno sviluppato un modello computazionale per l'apprendimento e la formazione della memoria, che inizia con le informazioni sensoriali, lo stimolo. Una volta che tali informazioni arrivano all'ippocampo, la parte del cervello in cui si formano i ricordi, si attivano diversi neuroni, alcuni dei quali sono eccitatori e altri inibitori.

Quando i neuroni vengono attivati nell'ippocampo, non tutti 'sparano' contemporaneamente. Man mano che si formano i ricordi, i neuroni che vengono attivati da vicino nel tempo diventano parte dell'engramma e rafforzano la loro connettività per supportare il richiamo futuro.

"L'attivazione delle cellule engramma durante il richiamo della memoria non è un processo tutto-o-nessuno, ma in genere deve raggiungere una soglia (cioè una percentuale dell'engramma originale) per avere un richiamo efficiente", spiega Roy. “Il nostro modello è il primo a dimostrare che la popolazione di engrammi non è stabile: il numero di cellule engramma che sono attivate durante il richiamo diminuisce con il tempo, il che significa che sono di natura dinamica, e quindi la successiva domanda cruciale era se ciò avesse una conseguenza comportamentale".

Sono necessari engrammi dinamici per discriminare la memoria

"Durante il periodo di consolidamento dopo l'apprendimento, il cervello lavora attivamente per separare le due esperienze e questo è probabilmente uno dei motivi per cui il numero di cellule engramma attivate diminuisce nel tempo per una singola esperienza", afferma. “Se è vero, questo spiegherebbe perché la discriminazione della memoria migliora con il passare del tempo. È come se la tua memoria dell'esperienza fosse inizialmente una grande autostrada, ma nel tempo, nel corso del periodo di consolidamento dell'ordine di minuti o ore, il tuo cervello la divide in due corsie in modo da poter discriminare tra le due".

Roy e gli sperimentatori del team ora avevano un'ipotesi verificabile, che hanno analizzato con un esperimento comportamentale consolidato con i topi. I topi sono stati esposti brevemente a due scatole diverse con odori e condizioni di illuminazione unici; una era un ambiente neutro, mentre nella seconda scatola ricevevano una lieve scossa al piede.

Poche ore dopo quell'esperienza, i topi, che in genere si muovono costantemente, hanno mostrato il richiamo della memoria della paura quando sono stati esposti a entrambe le scatole.

"Ciò ha dimostrato che non potevano discriminare tra le due", afferma Roy. “Ma dopo 12 ore, all'improvviso, hanno mostrato paura solo quando sono stati esposti alla scatola dove erano a disagio durante la prima esperienza. Erano quindi in grado di discriminare tra le due. L'animale ci sta dicendo che sa che questa scatola è quella che lo spaventa, ma cinque ore prima non riusciva a farlo".

Usando una tecnica sensibile alla luce, il team è stato in grado di rilevare i neuroni attivi nell'ippocampo del topo mentre l'animale esplorava le scatole. I ricercatori hanno usato questa tecnica per marcare i neuroni attivi e in seguito misurare quanti si riattivavano nel cervello per il richiamo. Hanno anche condotto esperimenti che hanno permesso di monitorare una singola cella engramma nelle varie esperienze e nel tempo.

"Quindi posso dirti letteralmente come una cella engramma, o un suo sottoinsieme, ha risposto a ciascun ambiente nel tempo e correlarlo alla sua discriminazione del ricordo", spiega Roy.

Gli studi computazionali iniziali del team avevano previsto che il numero di cellule engramma coinvolte in una singola memoria sarebbero diminuite nel tempo e gli esperimenti sugli animali lo hanno confermato.

"Quando il cervello apprende qualcosa per la prima volta, non sa quanti neuroni sono necessari e quindi recluta di proposito un sottoinsieme più ampio di neuroni", spiega. "Nello stabilizzare i neuroni, consolidando la memoria, il cervello taglia i neuroni non necessari, quindi ne sono necessari di meno e in questo modo aiuta a separare gli engrammi di ricordi diversi".

Cosa succede nei disturbi della memoria?

I risultati hanno rilevanza diretta per capire cosa non va nei disturbi della memoria, come il MA. Roy spiega che per sviluppare trattamenti per tali disturbi, è fondamentale sapere cosa accade durante la formazione iniziale della memoria, il consolidamento e l'attivazione di engrammi per il richiamo.

"Questa ricerca ci dice che un candidato molto probabile come colpevole della disfunzione della memoria è che c'è qualcosa di sbagliato nella prima finestra dopo la formazione della memoria in cui gli engrammi devono cambiare", afferma Roy.

Attualmente sta studiando topi modello di MA precoce per scoprire se gli engrammi si formano ma non si stabilizzano correttamente. Ora che ne sanno di più su come funzionano gli engrammi per formare e stabilizzare i ricordi, i ricercatori possono esaminare quali geni cambiano nel modello animale quando diminuisce la popolazione di engrammi.

“Possiamo esaminare i topi modello e chiedere, ci sono geni specifici che si alterano? E in quel caso, avendo finalmente qualcosa da testare, possiamo modulare il gene per questi processi di 'affinamento' o 'consolidamento' di engrammi per vedere se ciò ha un ruolo nel migliorare le prestazioni della memoria", afferma.

Roy ha lavorato alla ricerca mentre era al Massachusetts Institute of Technology (MIT) e alla Harvard University. I coautori sono dell'Imperial College di Londra, dell'Istituto di Scienza e Tecnologia in Austria, del McGovern Institute for Brain Research del MIT e del Center for Life Sciences & IDG/McGovern Institute for Brain Research dell'Università di Tsinghua in Cina.