Ricerche

L'immagine a basso ingrandimento mostra che i neuroni ippocampali CA1 (rosso) e i neuroni del subiculum dorsale (verde) possono essere identificati geneticamente con due diversi marcatori proteici. (Immagine: Dheeraj Roy / Tonegawa Lab, MIT)

Quando abbiamo una nuova esperienza, il ricordo di quell'evento è memorizzato in un circuito neurale che collega diverse parti dell'ippocampo e altre strutture cerebrali. Ogni gruppo di neuroni può memorizzare diversi aspetti della memoria, ad esempio la posizione in cui si è verificato l'evento o le emozioni associate ad esso.

I neuroscienziati che studiano la memoria hanno sempre creduto che, quando richiamiamo questi ricordi, il nostro cervello accende lo stesso circuito ippocampale attivato quando è stato formato il ricordo in origine. Tuttavia, i neuroscienziati del MIT hanno ora dimostrato, per la prima volta, che il richiamo di un ricordo richiede un circuito "di deviazione" che si dirama dal circuito di memoria originale.

Questo circuito distinto di richiamo non è mai stato visto prima in un animale vertebrato, anche se uno studio pubblicato lo scorso anno aveva scoperto un circuito di richiamo simile nel verme Caenorhabditis elegans (c-elegans).

"Questo studio affronta una delle questioni più fondamentali nella ricerca sul cervello, vale a dire come vengono formati e recuperati i ricordi episodici, e fornisce la prova di una risposta inaspettata: ci sono circuiti diversi per il recupero e la formazione", afferma Susumu Tonegawa, professore di Biologia e Neuroscienze, direttore del RIKEN-MIT Center for Neural Circuit Genetics e autore senior dello studio apparso online su Cell il 17 agosto, i cui primi autori sono Dheeraj Roy, recente dottorato di ricerca del MIT e Takashi Kitamura, scienziato di ricerca.

Parti sconosciute

L'ippocampo è suddiviso in aree diverse, con funzioni diverse correlate alla memoria, molte delle quali sono state ben esplorate, al contrario di una piccola area chiamata subiculum. Il laboratorio di Tonegawa ha esaminato questa regione usando topi progettati geneticamente in modo che i neuroni del loro subiculum potessero essere accesi o spenti con la luce.

I ricercatori hanno impiegato questo approccio per controllare le cellule di memoria durante un evento di condizionamento della paura, cioè una leggera scossa elettrica erogata quando il topo è in una particolare camera.

Ricerche precedenti avevano dimostrato che la codifica di questi ricordi coinvolge le cellule di una parte dell'ippocampo chiamata CA1, che poi trasmette le informazioni ad un'altra struttura del cervello chiamata corteccia entorinale. In ogni posizione vengono attivati ​​piccoli sottoinsiemi di neuroni, formando tracce di memoria chiamate engramma.

"Si pensava che i circuiti coinvolti nella formazione degli engrammi fossero gli stessi coinvolti nella riattivazione di queste cellule che avviene durante il processo di richiamo", dice Tonegawa. Tuttavia, gli scienziati avevano identificato in precedenza delle connessioni anatomiche che deviavano dalla CA1 attraverso il subiculum, che poi si connettono alla corteccia entorinale. La funzione di questo circuito, e del subiculum in generale, era sconosciuta.

In un gruppo di topi, il team del MIT ha inibito i neuroni del subiculum mentre i topi venivano  sottoposti a condizionamento di paura, fatto che però non ha avuto alcun effetto sulla loro capacità di ricordare in seguito l'esperienza. Tuttavia, in un altro gruppo, hanno inibito i neuroni del subiculum dopo che era avvenuto il condizionamento della paura, quando i topi erano stati riportati alla camera originale. Questi topi non mostravano la solita risposta al timore, dimostrando che la loro capacità di richiamare il ricordo era compromessa.

Ciò fornisce la prova che il circuito di deviazione che coinvolge il subiculum è necessario per richiamare il ricordo, ma non per la formazione dello stesso. Altri esperimenti hanno rivelato che il circuito diretto dalla CA1 alla corteccia entorinale non è necessario per richiamare il ricordo, ma è richiesto per la formazione dello stesso. "Inizialmente, non ci aspettavamo questo risultato", dice Tonegawa. "Avevamo solo pianificato di esplorare la funzione del subiculum".

"Questo documento è un tour de force di tecniche avanzate di neuroscienze, con un risultato intrigante che mostra l'esistenza e l'importanza di percorsi diversi per la formazione e il recupero dei ricordi dipendenti dall'ippocampo", spiega Karl Deisseroth, professore di bioingegneria, psichiatria e scienze comportamentali alla Stanford University, che non era coinvolto nello studio.

Modifica dei ricordi

Perché l'ippocampo ha bisogno di due circuiti distinti per formare e richiamare i ricordi? I ricercatori hanno trovato prove di due possibili spiegazioni.

1. Una è che le interazioni dei due circuiti rendono più semplice modificare o aggiornare i ricordi. Quando è attivato il circuito di richiamo, il circuito di formazione dei ricordi si può attivare simultaneamente, consentendo di aggiungere nuove informazioni.
   "Pensiamo che avere questi circuiti in parallelo aiuti l'animale a richiamare il ricordo e, quando necessario, a codificare nuove informazioni", dice Roy. "Quando si ricorda un'esperienza precedente, e c'è qualcosa di nuovo da aggiungere, è molto comune incorporare nuove informazioni nel ricordo esistente".
2. Un'altra possibile funzione del circuito di deviazione è quella di aiutare a stimolare le risposte allo stress a termine più lungo. I ricercatori hanno scoperto che il subicolum si collega a una coppia di strutture nell'ipotalamo chiamate 'corpi mammillari', stimolando il rilascio degli ormoni dello stress chiamati corticosteroidi. Ciò avviene almeno un'ora dopo che è richiamato il ricordo di paura.

I ricercatori dicono che, anche se hanno identificato il sistema a due circuiti in esperimenti che coinvolgono ricordi con una componente emotiva (sia positiva che negativa), il sistema è probabilmente al lavoro in qualsiasi tipo di memoria episodica.

Secondo i ricercatori, i risultati suggeriscono anche una possibilità intrigante legata all'Alzheimer. Lo scorso anno, Roy e altri del laboratorio di Tonegawa hanno scoperto che i topi con una versione iniziale dell'Alzheimer hanno difficoltà a richiamare i ricordi, ma sono ancora in grado di formarne di nuovi. Il nuovo studio suggerisce che nell'Alzheimer questo circuito del subiculum possa essere danneggiato, anche se i ricercatori non lo hanno studiato.