Le "cellule del luogo", qualcosa come il nostro cervello GPS

L'orientamento e l'esplorazione in spazi nuovi o sconosciuti è una delle facoltà cognitive che utilizziamo più spesso. Lo usiamo per orientarci nella nostra casa, nel nostro quartiere, per andare a lavorare.

Ne dipendiamo anche quando ci rechiamo in una città nuova e sconosciuta. Lo usiamo anche durante la guida e, eventualmente, il lettore sarà stato vittima di un orientamento disattento o in quella di un collega, che lo avrà condannato a perdersi, costretto a fare un giro con l'auto fino a trovare la strada adeguato.

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

Tutte queste sono situazioni che solitamente ci frustrano molto e che ci portano a maledire il nostro orientamento o quello degli altri con insulti, urla e comportamenti vari. Bene, Ebbene, oggi darò una pennellata sui meccanismi neurofisiologici dell'orientamento, nel nostro GPS cerebrale per capirci.

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

L'ippocampo come struttura cerebrale brain

Evolutivamente, l'ippocampo è una struttura antica, fa parte dell'archicorteccia, cioè di quelle strutture che sono filogeneticamente più antiche nella nostra specie. Anatomicamente fa parte del sistema limbico, nel quale 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, magari abituato alla psicologia, saprà che l'ippocampo è una struttura necessaria per il consolidamento dei ricordi. dichiarativo, cioè con quei ricordi con contenuto episodico sulle nostre esperienze o semantico (Nadel e O'Keefe, 1972).

Ne sono prova gli abbondanti studi esistenti sul caso popolare del “paziente HM”, un paziente a cui erano stati asportati entrambi gli emisferi temporali. producendo una devastante amnesia anterograda, cioè, non poteva memorizzare nuovi fatti sebbene conservasse la maggior parte dei suoi ricordi da prima del operazione. Per chi volesse approfondire questo caso, consiglio gli studi di Scoville e Millner (1957) che hanno studiato in modo esaustivo il paziente HM.

Le Cellule del Luogo: cosa sono?

Finora non diciamo nulla di nuovo, o nulla 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, sono stati in grado di registrare l'attività di specifici neuroni dell'ippocampo nei ratti. Ciò offriva la possibilità che durante l'esecuzione di diversi test comportamentali, l'animale fosse sveglio, cosciente e si muovesse liberamente.

Quello che non si aspettavano di scoprire era che c'erano neuroni che rispondevano selettivamente in base all'area in cui si trovava il ratto. Non è che ci fossero neuroni specifici in ogni posizione (non c'è un neurone per il tuo bagno, per esempio), ma che osservato nelle cellule CA1 (una regione specifica dell'ippocampo) che hanno segnato punti di riferimento che potrebbero adattarsi a diversi spazi.

Queste cellule sono state chiamate posizionare le celle. Pertanto, non è che esiste un neurone di luogo per ogni spazio specifico che frequenti, ma piuttosto sono punti di riferimento che ti mettono in relazione con il tuo ambiente; è così che si formano i sistemi di navigazione egocentrici. I neuroni del luogo formeranno anche sistemi di navigazione allocentrici che metteranno in relazione gli elementi dello spazio tra loro.

Programmazione innata vs esperienza

Questa scoperta ha sconcertato molti neuroscienziati, che consideravano l'ippocampo come... una struttura di apprendimento dichiarativa e ora hanno visto come era in grado di codificare le informazioni spazio. Ciò ha dato origine all'ipotesi della "mappa cognitiva" che postulerebbe che una rappresentazione del nostro ambiente si sarebbe generata nell'ippocampo.

Come lui cervello è un eccellente generatore di mappe per altre modalità sensoriali come la codifica del segnale visivo, uditivo e somatosensoriale; Non è irragionevole pensare all'ippocampo come una struttura che genera mappe del nostro ambiente e che garantisce il nostro orientamento in essi.

La ricerca è andata oltre e ha testato questo paradigma in situazioni molto diverse. È stato visto, ad esempio, che le celle nei compiti del labirinto si attivano quando l'animale commette errori o quando è in una posizione in cui il neurone normalmente si attiva (O'keefe e Speakman, 1987). Nei compiti in cui l'animale deve muoversi attraverso spazi diversi, si è visto che i neuroni si attivano a seconda della provenienza e della direzione dell'animale (Frank et al., 2000).

Come si formano le mappe spaziali

Un altro dei principali obiettivi di interesse della ricerca in questo settore 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 sottostante dei nostri circuiti cerebrali, cioè, innato. La questione 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 del sito, hanno poiché quando un animale viene posto in un nuovo ambiente, occorrono diversi minuti prima che queste cellule inizino a sparare con normale. Così che, le mappe dei luoghi sarebbero espresse, in qualche modo, dal momento in cui un animale entra in un nuovo ambiente, ma l'esperienza modificherebbe queste mappe in futuro.

Pertanto, potremmo pensare che la plasticità cerebrale stia giocando un ruolo nella formazione delle mappe spaziali. Quindi, se la plasticità avesse davvero avuto un ruolo, ci aspetteremmo che i topi knockout eliminassero il recettore NMDA per il neurotrasmettitore glutammato, ovvero i topi che non esprimono questo recettore - non hanno generato mappe spaziali perché questo recettore svolge un ruolo fondamentale nella plasticità cerebrale e il apprendimento.

La plasticità gioca un ruolo importante nel mantenimento delle mappe spaziali

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

Nonostante tutto, usando la logica, i meccanismi di plasticità cerebrale devono essere chiaramente necessari per la stabilità della memoria delle mappe appena formate. E, se non fosse così, a cosa servirebbe l'esperienza che si forma camminando per le strade della propria città? Non avremmo sempre la sensazione che sia la prima volta che entriamo in casa nostra? Ritengo che, come in tante altre occasioni, le ipotesi siano più complementari di quanto sembri e, in qualche modo, nonostante un innato funzionamento di queste funzioni, la plasticità deve svolgere un ruolo nel mantenere in memoria queste mappe spaziali.

Celle di rete, indirizzo e margine

È abbastanza astratto parlare di cellule del luogo e forse più di un lettore è rimasto sorpreso dal fatto che la stessa area del cervello che genera i ricordi serva, per così dire, da GPS. Ma non abbiamo finito e il meglio deve ancora venire. Ora arricciamo il ricciolo per davvero. All'inizio si pensava che la navigazione spaziale dipendesse esclusivamente dall'ippocampo quando si è visto che Strutture adiacenti come la corteccia entorinale hanno mostrato un'attivazione molto debole in funzione dello spazio (Frank et al. al., 2000).

Tuttavia, in questi studi, l'attività è stata registrata nelle aree ventrali della corteccia entorinale e negli studi aree posteriori, sono state registrate aree dorsali che hanno un maggior numero di connessioni con l'ippocampo (Fyhn et al., 2004). Così che è stato osservato che molte cellule in questa regione si attivano in funzione della posizione, in modo simile all'ippocampo. Finora, sono risultati che ci si aspettava di trovare, ma quando hanno deciso di aumentare l'area che avrebbero registrato nella corteccia entorinale hanno avuto una sorpresa: Tra i gruppi di neuroni che si attivavano in funzione dello spazio occupato dall'animale, c'erano aree apparentemente silenziose, cioè non erano attivato. Quando le regioni che mostravano l'attivazione erano virtualmente unite, sono stati osservati modelli sotto forma di esagoni o triangoli. Hanno chiamato questi neuroni nella corteccia entorinale "cellule di rete".

Scoprendo le celle di rete, si è vista la possibilità di risolvere la questione di come si formano le celle di luogo. Poiché le celle hanno numerose connessioni di celle di rete, non è irragionevole pensare che siano formate da queste. Tuttavia, ancora una volta, le cose non sono così semplici e le prove sperimentali non hanno confermato questa ipotesi. Nemmeno i motivi geometrici che formano le celle della rete sono stati ancora interpretati.

I sistemi di navigazione non si limitano all'ippocampo

La complessità non finisce qui. Tanto meno quando si è visto che i sistemi di navigazione non si limitano all'ippocampo. Questo ha allargato i limiti della ricerca ad altre aree cerebrali, scoprendo così altri tipi di cellule legate alle cellule di luogo: celle di direzione e celle di bordo.

Le cellule di direzione codificherebbero la direzione in cui si muove il soggetto e si troverebbero nel nucleo tegmentale dorsale del tronco cerebrale. Le celle marginali, d'altra parte, sono celle che aumenterebbero la loro frequenza di fuoco quando il soggetto diventa avvicinarsi ai limiti di un dato spazio e possiamo trovarli nel subiculum – regione specifica del ippocampo-. Proponiamo un esempio semplificato in cui cercheremo di riassumere la funzione di ogni tipo di cellula:

Immagina di essere nella sala da pranzo di casa tua e di voler andare in cucina. Dato che sei nella sala da pranzo di casa tua, avrai una cella di posto che si attiverà finché rimarrai nel sala da pranzo, ma visto che vorrai andare in cucina avrai anche un altro posto cella attivato che rappresenta il cucina. L'attivazione sarà chiara perché la tua casa è uno spazio che conosci perfettamente e l'attivazione può essere rilevata sia nelle celle di luogo che nelle celle di rete.

Ora, inizia a camminare verso la cucina. Ci sarà un gruppo di celle di indirizzi specifici che ora si attiveranno e non cambieranno finché manterrai un indirizzo specifico. Ora immagina che per andare in cucina devi girare a destra e attraversare uno stretto corridoio. Nel momento in cui giri, le tue cellule di guida lo sapranno e un altro set di cellule di guida registrerà la direzione che ha preso ora all'accensione, e quelle precedenti si spegneranno.

Immagina anche che il corridoio sia stretto e che qualsiasi movimento sbagliato possa farti schiantare contro il muro, quindi le tue celle di confine aumenteranno la loro velocità di fuoco. Più ti avvicini al muro del corridoio, maggiore sarà la velocità di fuoco che mostrerebbero le sue celle ai bordi. Pensa alle celle marginali come i sensori di alcune auto più recenti che danno un segnale acustico quando stai manovrando per parcheggiare. Cellule di confine Funzionano in modo simile a questi sensori, più ti avvicini alla collisione più rumore fanno. Quando arriverai in cucina, le tue celle di posto ti avranno indicato che è arrivato in modo soddisfacente ed essendo un ambiente più grande, le tue celle di bordo si rilasseranno.

Finiamo di complicare tutto

È curioso pensare che il nostro cervello abbia dei modi per conoscere la nostra posizione. Ma rimane una domanda: come conciliamo 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 si siano 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. Così si è parlato di celle del tempo (Eichenbaum, 2014) che codificherebbe la percezione del tempo.

La cosa sorprendente del caso è che ci sono prove crescenti a sostegno dell'idea che le celle del luogo sono le stesse delle celle del tempo. Quindi, lo stesso neurone attraverso gli stessi impulsi elettrici è in grado di codificare lo spazio e il tempo. Il rapporto della codifica del tempo e dello spazio negli stessi potenziali d'azione e la loro importanza nella memoria rimangono un mistero.

In conclusione: la mia opinione personale

La mia opinione a riguardo? Togliendomi il camice da scienziato, posso dirlo gli esseri umani tendono a pensare all'opzione facile e ci piace pensare che il cervello parli la nostra stessa lingua. Il problema è che il cervello ci offre una versione semplificata della realtà che elabora da sé. In un modo simile alle ombre nella caverna di Platone. Così, proprio come nella fisica quantistica vengono infrante le barriere di ciò che intendiamo come realtà, nella neuroscienza scopriamo che nel cervello le cose sono diverse dal mondo che percepiamo consapevolmente e dobbiamo avere una mente molto aperta che le cose non devono essere come sono realmente li percepiamo.

L'unica cosa che mi è chiara è una cosa che Antonio Damasio ripete molto nei suoi libri: il cervello è un ottimo generatore di mappe. Forse il cervello interpreta il tempo e lo spazio allo stesso modo per formare mappe dei nostri ricordi. E se ti sembra chimerico, pensa che Einsten nella sua teoria della relatività una delle teorie da lui postulate era che il tempo non poteva essere compreso senza lo spazio, e viceversa. Indubbiamente svelare questi misteri è una sfida, ancora di più quando sono aspetti difficili da studiare negli animali.

Tuttavia, nessuno sforzo dovrebbe essere risparmiato su questi problemi. Prima per 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, molti dei patologie neurodegenerative come il morbo di Alzheimer, i loro primi sintomi sono il disorientamento spazio-temporale. Conoscendo i meccanismi neurofisiologici di questa codifica potremmo scoprire nuovi aspetti che ci aiuteranno a comprendere meglio il decorso patologico di queste malattie e, chissà, se scoprire o meno nuovi bersagli farmacologici farmacologico.

Riferimenti bibliografici:

• Eichenbaum H. 2014. Cellule temporali nell'ippocampo: una nuova dimensione per la mappatura dei ricordi. Natura 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Codifica della traiettoria 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. Scienza 305: 1258–1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Abolizione della stabilità a lungo termine di nuove mappe cellulari dell'ippocampo mediante blocco del recettore NMDA. Scienza 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Riallineamento modulare dell'attività delle cellule della griglia entorinale come base per la rimappatura dell'ippocampo. J Neurosci 31: 9414-9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Attività di una singola unità nell'ippocampo di ratto durante un compito di memoria spaziale. Esp Brain Res 68: 1 –27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Perdita della memoria recente dopo l'ippocampo bilaterale. J Neurol Neurosurg Psichiatria 20: 11-21.