Le 'celle del luogo', qualcosa come il nostro GPS del cervello

Aprile 16, 2024

Orientamento ed esplorazione in spazi nuovi o sconosciuti è una delle facoltà cognitive che usiamo più spesso. Lo usiamo per guidarci nella nostra casa, nel nostro quartiere, per andare a lavorare.

Dipendiamo anche da questo quando andiamo in una città nuova e sconosciuta per noi. Lo usiamo anche quando guidiamo e, possibilmente, il lettore sarà stato vittima di una negligenza nel suo orientamento o in quello di un compagno, che lo avrebbe condannato a perdersi, costretto a girarsi con la macchina fino a che con la rotta appropriata.

Non è colpa dell'orientamento, è colpa dell'ippocampo

Tutte queste sono situazioni che spesso ci frustrano e che ci portano a maledire il nostro orientamento o quello degli altri con insulti, grida e comportamenti diversi. bene, perché oggi darò una pennellata nei meccanismi neurofisiologici dell'orientamento , nel nostro Brain GPS per capirci

Inizieremo con l'essere specifici: non dovremmo maledire l'orientamento poiché è solo un prodotto della nostra attività neurale in regioni specifiche. Pertanto, inizieremo maledicendo il nostro ippocampo.

L'ippocampo come struttura cerebrale

Evolutivamente, l'ippocampo è una struttura antica, fa parte dell'arquicoltura, cioè quelle strutture che sono filogeneticamente più antiche nella nostra specie. Anatomicamente, fa parte del sistema limbico, in cui si trovano anche altre strutture come l'amigdala. Il sistema limbico è considerato il substrato morfologico della memoria, delle emozioni, dell'apprendimento e della motivazione.

Il lettore, possibilmente abituato alla psicologia, saprà che l'ippocampo è una struttura necessaria per il consolidamento delle memorie dichiarative, cioè, con quei ricordi con contenuti episodici sulla nostra esperienza, o semantica (Nadel e O'Keefe, 1972) .

Prova di ciò sono gli abbondanti studi sul caso popolare del "paziente HM", un paziente i cui emisferi temporali erano stati rimossi, producendo un'amnesia anterograda devastante, cioè, non poteva memorizzare nuovi fatti sebbene conservasse la maggior parte del dei tuoi ricordi di prima dell'operazione. Per coloro che vogliono approfondire in questo caso, raccomando gli studi di Scoville e Millner (1957) che hanno studiato il paziente HM in modo esaustivo.

The Place Cells: cosa sono?

Finora non diciamo nulla di nuovo o qualcosa di sorprendente. Ma fu nel 1971 quando per caso fu scoperto un fatto che generò l'inizio dello studio dei sistemi di navigazione nel cervello. O'keefe e John Dostrovski, usando elettrodi intracranici, potrebbe registrare l'attività dei neuroni specifici dell'ippocampo nei ratti . Ciò offriva la possibilità che durante l'esecuzione di diversi test comportamentali, l'animale fosse sveglio, cosciente e in movimento liberamente.

Quello che non si aspettavano di scoprire era che c'erano dei neuroni che rispondevano in modo selettivo a seconda dell'area in cui si trovava il topo. Non è che ci fossero neuroni specifici per ogni posizione (non c'è neurone per il tuo bagno, per esempio), ma che sono stati osservati nelle cellule CA1 (una regione specifica dell'ippocampo) che hanno contrassegnato i punti di riferimento che potrebbero essere adattati a diversi spazi .

Queste cellule furono chiamate posiziona le cellule. Pertanto, non è che ci sia un neurone del luogo per ogni spazio specifico che frequenti, ma piuttosto sono punti di riferimento che riguardano il vostro ambiente; Ecco come si formano i sistemi di navigazione egocentrici. I neuroni posizionati formeranno anche sistemi di navigazione allocentrici che metteranno in relazione gli elementi dello spazio tra di loro.

Programmazione innata vs. esperienza

Questa scoperta ha perplesso molti neuroscienziati che consideravano l'ippocampo come una struttura dichiarativa di apprendimento e ora vedevano come era in grado di codificare le informazioni spaziali. Ciò diede origine all'ipotesi della "mappa cognitiva" che avrebbe postulato che una rappresentazione del nostro ambiente sarebbe stata generata nell'ippocampo.

Proprio come il cervello è un eccellente generatore di mappe per altre modalità sensoriali come la codifica di segnali visivi, uditivi e somatosensoriali; non è irragionevole pensare all'ippocampo come a una struttura che genera mappe del nostro ambiente e che garantisce il nostro orientamento in esse .

La ricerca è andata oltre e ha messo alla prova questo paradigma in situazioni molto diverse. Si è visto, per esempio, che le cellule del luogo nei compiti del labirinto sparano quando l'animale commette errori o quando si trova in una posizione in cui il neurone di solito spara (O'keefe e Speakman, 1987).Nei compiti in cui l'animale deve spostarsi attraverso spazi diversi, è stato visto che i neuroni posizionati dipendono da dove l'animale proviene e da dove sta andando (Frank et al., 2000).

Come si formano le mappe spaziali

Un altro dei principali interessi di ricerca in questo campo è stato il modo in cui si formano queste mappe spaziali. Da un lato potremmo pensare che le cellule del luogo stabiliscano la loro funzione in base all'esperienza che riceviamo quando esploriamo un ambiente, o, potremmo pensare che sia un componente fondamentale dei nostri circuiti cerebrali, cioè innato. La domanda non è ancora chiara e possiamo trovare prove empiriche che supportano entrambe le ipotesi.

Da un lato, gli esperimenti di Monaco e Abbott (2014), che hanno registrato l'attività di un gran numero di cellule, hanno visto che quando un animale viene posto in un nuovo ambiente passano diversi minuti fino a quando queste cellule iniziano a sparare con normale. Così, le mappe del luogo verrebbero espresse, in qualche modo, dal momento in cui un animale entra in un nuovo ambiente , ma l'esperienza potrebbe modificare queste mappe in futuro.

Pertanto, potremmo pensare che la plasticità del cervello stia giocando un ruolo nella formazione delle mappe spaziali. Quindi, se la plasticità avesse davvero un ruolo, ci aspetteremmo che i topi knockout per il recettore NMDA del glutammato neurotrasmettitore - cioè topi che non esprimono questo recettore - non genererebbero mappe spaziali perché questo recettore svolge un ruolo fondamentale nella plasticità cerebrale e l'apprendimento.

La plasticità svolge un ruolo importante nel mantenimento delle mappe spaziali

Tuttavia, questo non è il caso, e si è visto che topi knockout per il recettore NMDA o topi che sono stati trattati farmacologicamente per bloccare questo recettore, esprimere modelli di risposta simili delle cellule in ambienti nuovi o familiari. Ciò suggerisce che l'espressione di mappe spaziali è indipendente dalla plasticità cerebrale (Kentrol et al., 1998). Questi risultati supportano l'ipotesi che i sistemi di navigazione siano indipendenti dall'apprendimento.

Nonostante tutto, usando la logica, i meccanismi della plasticità cerebrale devono essere chiaramente necessari per la stabilità nella memoria delle mappe di recente formazione. E se non fosse così, quale sarebbe l'uso dell'esperienza che si forma camminando per le strade della sua città? Non avremmo sempre la sensazione che sia la prima volta che entriamo in casa nostra? Credo che, come in tante altre occasioni, le ipotesi siano più complementari di quanto sembri e, in qualche modo, nonostante un funzionamento innato di queste funzioni, la plasticità ha un ruolo nel mantenere queste mappe spaziali in memoria .

Rete, indirizzo e celle di bordo

È piuttosto astratto parlare di cellule del luogo e forse più di un lettore è stato sorpreso che la stessa area cerebrale che genera memorie ci serva, per così dire, GPS. Ma non siamo finiti e il meglio deve ancora venire. Ora arricciamo davvero il ricciolo. Inizialmente, si pensava che la navigazione nello spazio dipendesse esclusivamente dall'ippocampo quando si è visto che strutture adiacenti come la corteccia entorinale mostravano un'attivazione molto debole in funzione dello spazio (Frank et al., 2000).

Tuttavia, in questi studi è stata registrata l'attività nelle aree ventrale della corteccia entorinale e in studi successivi sono state registrate aree dorsali, che hanno un maggior numero di connessioni all'ippocampo (Fyhn et al., 2004). Quindi, allora è stato osservato che molte cellule di questa regione hanno sparato a seconda della posizione, simile all'ippocampo . Finora ci si aspettava che trovassero i risultati ma quando hanno deciso di aumentare l'area che avrebbero registrato nella corteccia entorinale hanno avuto una sorpresa: tra i gruppi di neuroni attivati a seconda dello spazio occupato dall'animale c'erano zone apparentemente silenti - cioè, non erano activadas-. Quando le regioni che mostravano l'attivazione erano virtualmente unite, i modelli venivano osservati sotto forma di esagoni o triangoli. Hanno chiamato questi neuroni della corteccia entorinale "globuli rossi".

Quando sono stati scoperti i globuli rossi, è stato possibile risolvere la questione di come si formano le cellule. Avendo le celle posizionate numerose connessioni delle celle di rete, non è irragionevole pensare di essere formate da esse. Tuttavia, ancora una volta, le cose non sono così semplici e l'evidenza sperimentale non ha confermato questa ipotesi. Gli schemi geometrici che formano le celle di rete non sono stati ancora interpretabili.

I sistemi di navigazione non sono ridotti all'ippocampo

La complessità non finisce qui. Ancor meno quando si è visto che i sistemi di navigazione non sono ridotti all'ippocampo. Ciò ha permesso di espandere i limiti della ricerca ad altre aree del cervello, scoprendo così altri tipi di cellule correlate alle cellule del luogo: Celle di guida e celle di bordo .

Le cellule dello sterzo codificherebbero la direzione in cui il soggetto si muoverà e verrebbero localizzate nel nucleo torsionale dorsale del tronco cerebrale. D'altra parte, le cellule di bordo sono cellule che aumentano il loro tasso di fuoco quando il soggetto si avvicina ai limiti di un dato spazio e può essere trovato nella regione del sub-specifico dell'ippocampo. Offriremo un esempio semplificato in cui cercheremo di riassumere la funzione di ciascun tipo di cella:

Immagina di essere nella sala da pranzo della tua casa e che vuoi andare in cucina. Dato che sei nella sala da pranzo della tua casa, avrai una cella della stanza che sparerà mentre rimani nella sala da pranzo, ma dal momento che vuoi andare in cucina avrai anche un'altra cella della stanza attivata che rappresenta la cucina. L'attivazione sarà chiara perché la tua casa è uno spazio che conosci perfettamente e l'attivazione può essere rilevata sia nelle celle del luogo che nella rete cellulare.

Ora, inizia a camminare verso la cucina. Ci sarà un gruppo di specifiche celle di indirizzi che ora spareranno e non cambieranno se manterrai una direzione specifica. Ora, immagina che per andare in cucina devi girare a destra e attraversare uno stretto corridoio. Nel momento in cui giri, le tue celle di indirizzo lo sapranno e un altro insieme di celle di indirizzo registrerà la direzione che ora ha preso per attivarsi, e quelle precedenti saranno disattivate.

Immagina anche che il corridoio sia stretto e che qualsiasi movimento falso possa farti colpire il muro, così le tue celle di bordo aumenteranno la tua frequenza di fuoco. Più ti avvicini al muro del corridoio, più alto sarà il rapporto di sparo che mostrerà le tue cellule di bordo. Pensa alle celle di bordo come ai sensori di alcune nuove auto e che emettono un segnale acustico quando stai manovrando per parcheggiare. Le celle di bordo Funzionano in modo simile a questi sensori, più si avvicinano allo scontro più rumore producono . Quando arrivate in cucina, le celle del vostro posto vi diranno che è arrivato in modo soddisfacente e dato che è un ambiente più ampio, le vostre cellule di bordo si rilasseranno.

Complichiamo tutto

È curioso pensare che il nostro cervello abbia modi per conoscere la nostra posizione. Ma c'è ancora una domanda: come conciliare la memoria dichiarativa con la navigazione spaziale nell'ippocampo ?, cioè, come influiscono i nostri ricordi su queste mappe? O potrebbe essere che i nostri ricordi sono stati formati da queste mappe? Per cercare di rispondere a questa domanda, dobbiamo pensare un po 'oltre. Altri studi hanno evidenziato che le stesse cellule che codificano lo spazio, di cui abbiamo già parlato, codificano anche il tempo . Quindi, si è parlato di celle del tempo (Eichenbaum, 2014) che codifica la percezione del tempo.

La cosa sorprendente del caso è questo sempre più prove a supporto dell'idea che le celle siano le stesse delle celle del tempo . Quindi, lo stesso neurone che utilizza gli stessi impulsi elettrici è in grado di codificare spazio e tempo. La relazione tra la codifica del tempo e dello spazio negli stessi potenziali d'azione e la loro importanza nella memoria rimane un mistero.

In conclusione: la mia opinione personale

La mia opinione a riguardo? Togliendo la tunica del mio scienziato, posso dirlo l'essere umano è abituato a pensare all'opzione facile e ci piace pensare che il cervello parli la stessa lingua che noi . Il problema è che il cervello ci offre una versione semplificata della realtà che egli stesso elabora. In un modo simile alle ombre della grotta di Platone. Quindi, proprio come nelle barriere della fisica quantistica si rompono le barriere di ciò che intendiamo come realtà, scopriamo che nel cervello le cose sono diverse dal mondo che percepiamo coscientemente e dobbiamo avere una mente molto aperta che le cose non hanno perché essere come li percepiamo davvero.

L'unica cosa che ho chiaro è qualcosa che Antonio Damasio è abituato a ripetere molto nei suoi libri: il cervello è un grande generatore di mappe . Forse il cervello interpreta il tempo e lo spazio allo stesso modo per mappare i nostri ricordi. E se sembra chimerico pensare che Einsten nella sua teoria della relatività una delle teorie che ha postulato fosse che il tempo non poteva essere compreso senza spazio, e viceversa. Sicuramente svelare questi misteri è una sfida, ancor più quando sono aspetti difficili da studiare negli animali.

Tuttavia, nessuno sforzo dovrebbe essere risparmiato su questi temi. Primo di curiosità. Se studiamo l'espansione dell'universo o le onde gravitazionali registrate di recente, perché non dovremmo studiare come il nostro cervello interpreta il tempo e lo spazio? E, in secondo luogo, molte delle patologie neurodegenerative come il morbo di Alzheimer hanno disorientamento spazio-temporale come primi sintomi.Conoscendo i meccanismi neurofisiologici di questa codifica, potremmo scoprire nuovi aspetti che aiuteranno a capire meglio il decorso patologico di queste malattie e, chissà, scopriranno nuovi obiettivi farmacologici o non farmacologici.

Riferimenti bibliografici:

Eichenbaum H. 2014. Le cellule del tempo nell'ippocampo: una nuova dimensione per la mappatura dei ricordi. Nature 15: 732-742
Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Traiettoria che codifica nell'ippocampo e nella corteccia entorinale. Neurone 27: 169-178.
Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Rappresentazione spaziale nella corteccia entorinale. Science 305: 1258-1264
Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Abolizione della stabilità a lungo termine delle nuove mappe cellulari dei posti ippocampali mediante blocco del recettore NMDA. Scienza 280: 2121-2126.
Monaco JD, Abbott LF. 2011. Modular riallineamento dell'attività delle celle della griglia come base per il remapping dell'ippocampo. J Neurosci 31: 9414-9425.
O'Keefe J, Speakman A. 1987. Attività dell'unità singola nell'ippocampo del mouse durante un'attività di memoria spaziale. Exp Brain Res 68: 1-27.
Scoville WB, Milner B (1957). Perdita di memoria recente dopo ippocampallesi bilaterale. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.