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Dall'interno verso l'esterno: come il cervello forma i ricordi sensoriali

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Un nuovo studio identifica una regione del talamo come una fonte chiave di segnali che codificano esperienze passate nella neocorteccia.

Dallinterno verso lesterno come il cervello forma i ricordi sensoriali

Il cervello codifica le informazioni raccolte dai nostri sensi. Tuttavia, per percepire il nostro ambiente e interagire in modo costruttivo con esso, questi segnali sensoriali devono essere interpretati nel contesto delle nostre precedenti esperienze e degli obiettivi attuali.

Nell'ultimo numero di Science, un team di scienziati guidato dal Dr. Johannes Letzkus, responsabile del gruppo di ricerca presso il Max Planck Institute for Brain Research, ha identificato una fonte chiave di queste informazioni dall'alto verso il basso dipendenti dall'esperienza.

La neocorteccia è la più vasta area del cervello umano. Si è espanso e differenziato enormemente durante l'evoluzione dei mammiferi e si pensa che mediatori molte delle capacità che distinguono gli esseri umani dai loro parenti più stretti.

Inoltre, anche le disfunzioni di quest'area giocano un ruolo centrale in molti disturbi psichiatrici.

Tutte le funzioni cognitive superiori della neocorteccia sono permesse riunendo due distinti flussi di informazioni: un flusso 'dal basso verso l'alto' che trasporta segnali dall'ambiente circostante al cervello e un flusso 'dall'alto verso il basso' che trasmette informazioni generate internamente che codificano le nostre precedenti esperienze e gli obiettivi attuali.

"Decenni di indagini hanno chiarito come vengono elaborati gli input sensoriali dall'ambiente. Tuttavia, la nostra conoscenza delle informazioni generate internamente è ancora agli inizi. Questa è una delle maggiori lacune nella nostra comprensione delle funzioni cerebrali superiori come la percezione sensoriale", afferma Letzkus.

Ciò ha motivato il team a cercare le fonti di questi segnali dall'alto verso il basso.

"Il lavoro del team precedente e di molti altri scienziati aveva suggerito che lo strato più alto della neocorteccia è probabilmente un sito chiave che riceve input che trasportano informazioni dall'alto verso il basso. Prendendo questo come punto di partenza, ci ha permesso di identificare una regione del talamo - un'area del cervello incorporata in profondità nel proencefalo - come un candidato chiave fonte di tali informazioni interne ".

Motivata da queste osservazioni, il dottor M. Belén Pardi, il primo autore dello studio e ricercatore post-dottorato nel laboratorio Letzkus, ha ideato un approccio innovativo che le ha permesso di misurare le risposte delle singole sinapsi talamiche nella neocorteccia di topo prima e dopo un paradigma di apprendimento.

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"I risultati sono stati molto chiari", ricorda Pardi. "Mentre gli stimoli neutri senza rilevanza sono stati codificati da risposte piccole e transitorie in questo percorso, l'apprendimento ha fortemente potenziato la loro attività e ha reso i segnali più veloci e più sostenuti nel tempo".

Ciò suggerisce che le sinapsi talamiche nella neocorteccia codificano l'esperienza precedente dell'animale.

"Eravamo davvero convinti che questo fosse il caso quando abbiamo confrontato la forza della memoria acquisita con il cambiamento nell'attività talamica: questo ha rivelato una forte correlazione positiva, indicando che gli input dal talamo codificano in modo prominente la rilevanza comportamentale appresa degli stimoli", afferma Letzkus.

Ma questo meccanismo è selettivo per questi segnali relativi alla memoria dall'alto verso il basso? Gli stimoli sensoriali possono essere rilevanti a causa di ciò che abbiamo imparato ad associare ad essi, ma anche semplicemente per le loro proprietà fisiche.

Ad esempio, i suoni più forti più prontamente richiamano l'attenzione sia negli esseri umani che negli animali. Tuttavia, questa è una funzione di basso livello che ha poco a che fare con l'esperienza precedente.

"Curiosamente, abbiamo trovato meccanismi di codifica molto diversi, anzi opposti, per questa forma di rilevanza dal basso verso l'alto", afferma Pardi.

Data la loro importanza centrale, gli scienziati hanno ipotizzato che il modo in cui questi segnali vengono ricevuti dalla neocorteccia debba essere strettamente regolato.

Pardi e colleghi hanno affrontato questo problema in ulteriori esperimenti, combinati con la modellazione computazionale in collaborazione con il laboratorio del Dr. Henning Sprekeler e il suo team della Technische Universität di Berlino.

I risultati hanno infatti identificato un meccanismo precedentemente sconosciuto in grado di sintonizzare con precisione le informazioni lungo questo percorso, identificando un tipo specializzato di neurone nello strato più alto della neocorteccia come gatekeeper dinamico di questi segnali dall'alto verso il basso.

"Questi risultati rivelano gli input talamici alla neocorteccia sensoriale come una fonte chiave di informazioni sulle esperienze passate che sono state associate a stimoli sensoriali. Tali segnali dall'alto verso il basso sono perturbati in una serie di disturbi cerebrali come l'autismo e la schizofrenia, e la nostra speranza è che i presenti risultati consentiranno anche una comprensione più profonda dei cambiamenti disadattivi che sono alla base di queste gravi condizioni ", conclude Letzkus.

 

Reference:

  1. M. Belén Pardi, Johanna Vogenstahl, Tamas Dalmay, Teresa Spanò, De-Lin Pu, Laura B. Naumann, Friedrich Kretschmer, Henning Sprekeler, Johannes J. Letzkus. A thalamocortical top-down circuit for associative memory. Science, 2020; 370 (6518): 844 DOI: 10.1126/science.abc2399

 

 


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