Moduli funzionali distinti nella corteccia motoria per tipo di movimento
GIOVANNI ROSSI
NOTE
E NOTIZIE - Anno XIII – 10 ottobre 2015.
Testi pubblicati sul sito
www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind
& Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a
fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta
settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in
corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento è oggetto di
studio dei soci componenti lo staff dei
recensori della Commissione Scientifica
della Società.
[Tipologia del testo: RECENSIONE]
Una delle grandi sfide delle neuroscienze è costituita dalla comprensione dei processi che consentono al cervello di dirigere e guidare l’interazione intenzionale di un individuo con il proprio ambiente. Tutti i mammiferi, nell’ambito dei quali la nostra specie costituisce l’esempio più evoluto, sono provvisti di circuiti neurali specializzati in chiave adattativa per l’esecuzione di piani comportamentali necessari alla ricerca del cibo, all’accoppiamento, all’evitazione di pericoli naturali e predatori, allo spostamento efficace e sicuro nell’ambiente, all’interazione sociale occasionale ed organizzata in gruppi. Il funzionamento di tali circuiti neuronici, nell’esecuzione dei piani comportamentali, è modellato secondo configurazioni correntemente definite adaptive patterning of voluntary movements.
La sede principale del controllo, secondo il modello classico oggi non più ritenuto assoluto dell’encefalizzazione direttamente proporzionale al grado di evoluzione di una specie[1], è la corteccia cerebrale. In proposito è opportuno ricordare che, se la ricerca dell’ultimo mezzo secolo ha ridimensionato il ruolo di sede quasi esclusiva ed assoluta del controllo di più alto livello, restituendo un’immagine più complessa dei ruoli svolti dalle varie strutture dell’encefalo responsabili del movimento, la corteccia cerebrale rimane sempre la sede anatomica privilegiata per lo studio del controllo volontario dei movimenti. Oggi, seguendo una ripartizione che riflette la specializzazione della ricerca, si tende a studiare la neurofisiologia della motricità secondo campi tematici quali l’unità motoria, i riflessi spinali, la locomozione e il controllo volontario del movimento. Quest’ultimo argomento include lo studio dei circuiti corticali e costituisce attualmente una branca molto importante della neurofisiologia. Il motivo di tale rilievo è dato dal fatto che aree corticali molto estese prendono parte ai processi del controllo motorio e, pertanto, il loro studio ha fornito importanti dati, nozioni concettuali e modelli sull’organizzazione della corteccia cerebrale nel suo insieme.
Per decenni, seguendo quanto emerso dalla ricerca, abbiamo insegnato che i caratteri del movimento hanno origine nell’attività dei nuclei della base del telencefalo o gangli basali, come si è soliti definirli in fisiologia con un termine improprio; tuttavia, credo che non pochi si siano chiesto quanto fosse plausibile un controllo corticale generico su movimenti già bene organizzati e definiti, quali il gesto intenzionale di stringere la mano di qualcuno o la routine extrapiramidale a controllo cerebellare del salire le scale. Ebbene, un gruppo di ricercatori giapponesi ha individuato moduli funzionali diversi nella corteccia cerebrale per due classi di attività motorie ben distinte, come la locomozione e l’atto di stendere un braccio per toccare o prendere qualcosa.
In generale, nel comportamento animale si possono distinguere atti motori singoli e componenti ritmiche come la locomozione: due ordini di fenomeni con dinamiche del tutto diverse, la cui ipotetica rappresentazione corticale, fino allo studio di Riichiro Hira e colleghi, non era stata definita.
I ricercatori hanno indagato le dinamiche dei movimenti indotti da fotostimolazione transcranica di lunga durata sulla corteccia cerebrale dorsale di topi transgenici per la channelrhodopsin-2, in stato di veglia ed attivamente vigilanti. In tal modo hanno riconosciuto due domini, causanti movimenti isolati in avanti e indietro degli arti anteriori, e un dominio per la motilità ritmica degli stessi arti. Un dominio per il movimento isolato in avanti e un dominio per una sequenza motoria ritmica indebolivano reciprocamente l’attività dei neuroni e le dimensioni del movimento.
La fotostimolazione del dominio ritmico poteva indurre anche movimenti non ritmici; infatti, in presenza di una leva, la stimolazione determinava la comparsa di un atto di sollevamento della leva.
Dal complesso degli esiti della sperimentazione, gli autori dello studio deducono che la corteccia motoria ha moduli funzionali con distinte dinamiche, e ciascun modulo possiede la flessibilità per adattarsi ad ambienti diversi (Hira R., et al., Distinct Functional Modules for Discrete and Rhytmic Forelimb Movements in the Moiuse Motor Cortex. The Journal of Neuroscience 35 (39): 13311-13322, 2015).
La provenienza degli autori è la
seguente: Division of Brain Circuits, National Institute for Basic Biology,
Myodaiji, Okazaki (Giappone); Department of Basic Biology, SOKENDAI, The
Graduate University for Advanced Studies, Okazaki (Giappone); Laboratory of
Cell Recognition and Pattern Formation, Graduate School of Biostudies, Kyoto
University, Kyoto (Giappone); Physical and Health Education, Graduate School of
Education, University of Tokyo, Tokyo (Giappone).
Non è il caso, in questa sede, di ripercorrere la storia delle osservazioni sperimentali che hanno condotto alla localizzazione in aree corticali del controllo motorio, a partire dal diciannovesimo secolo, con tappe facilmente evocate dai nomi di Jackson, Fritsch, Hitzig, Ferrier, Woolsey e Penfield. Sarà sufficiente ricordare che varie aree contribuiscono al controllo dei movimenti volontari e che, in particolare, la corteccia motoria primaria ha il ruolo principale nella genesi dei comandi motori.
Edward Evarts fu il primo a studiare la corteccia motoria primaria di scimmie vigili ed attive, mediante la registrazione con microelettrodi introdotta negli anni Cinquanta da Herbert Jasper, e rilevò che singoli neuroni di questa regione scaricano solo durante i movimenti di una parte circoscritta dell’emisoma controlaterale. Evarts scoprì anche che alcuni neuroni scaricano durante la flessione di una particolare articolazione e sono inibiti per soppressione reciproca durante l’estensione; altri neuroni mostrano il pattern opposto. Tale attività correlata al movimento ha tipicamente inizio 50-150 millisecondi prima dell’inizio dell’attività muscolo agonista. Queste osservazioni pionieristiche suggerivano che singoli neuroni della corteccia motoria primaria generano segnali che forniscono specifiche informazioni circa i movimenti di specifiche parti del corpo prima che tali movimenti fossero eseguiti.
Molti altri studi condotti negli anni seguenti hanno fornito conoscenze circa il contribuito di differenti aree motorie corticali al controllo dei movimenti volontari. In generale, i segnali in uscita dalle aree premotorie sono fortemente dipendenti dal contesto in cui l’azione è eseguita, quali le associazioni stimolo-risposta e le regole che guidano la scelta di quali movimenti compiere. In contrasto, i comandi generati dalla corteccia motoria primaria sono più strettamente correlati agli aspetti meccanicistici del movimento e sono solitamente meno influenzati dal contesto comportamentale.
Tanto premesso, torniamo al lavoro di Riichiro Hira e colleghi. Come si diceva, i movimenti animali sono costituiti da due fondamentali dinamiche: isolata e ritmica. Sebbene sia opinione comune dei ricercatori che i movimenti con differenti dinamiche siano elaborati in modo diverso nel sistema nervoso centrale, non si sa ancora come questa differenza si rifletta nella fisiologia della corteccia motoria. I ricercatori giapponesi hanno perciò realizzato delle stimolazioni optogenetiche trans-craniche prolungate (pTOS, prolonged transcranial optogenetic stimulation) in topi transgenici per la channelrhodopsin-2, che hanno studiato nelle comuni attività della veglia.
In tal modo hanno identificato due domini che inducevano movimenti isolati (“discreti”) degli arti anteriori in avanti ed indietro. Questi due domini includevano a sandwich un altro dominio che generava movimenti ritmici degli arti anteriori dei roditori.
L’osservazione ha rivelato che il movimento isolato in direzione anteriore presentava un profilo intrinseco di velocità e il movimento ritmico aveva una intrinseca frequenza di oscillazione.
Lo studio dettagliato dei due tipi funzionali di aree motorie ha rivelato che ciascuno dei due tipi di dominio, discreto e ritmico, presentava queste caratteristiche:
1) possedeva connessioni sinaptiche intracorticali circoscritte al proprio interno;
2) proiettava in maniera indipendente al midollo spinale;
3) indeboliva l’attività neurale e l’induzione del movimento da parte dell’altro dominio.
Non è da trascurare il fatto che i movimenti indotti da pTOS in questa sperimentazione rientravano fra quelli etichettati come etologicamente rilevanti.
Il movimento “zampa anteriore verso bocca” è stato mappato in una parte del dominio dei movimenti discreti (isolati) anteriori, mentre il movimento “locomozione-simile” si rinveniva in una parte del dominio ritmico.
Aspetto interessante, già anticipato più sopra, è che, in presenza di una leva, la fotostimolazione del dominio ritmico poteva risultare in un atto non ritmico ma continuo di sollevamento della leva.
In attesa di verifiche e conferme, seguendo i risultati di questo studio, si può affermare che la corteccia motoria possiede moduli funzionali distinti e specifici per tipo di dinamica motoria e che tali moduli possono adattarsi ai condizionamenti ambientali nell’esecuzione dei movimenti intenzionali.
L’autore della nota ringrazia la
dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invita alla
lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE
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[1] Secondo tale principio, quanto più è evoluta una specie tanto più è elevato il grado di encefalizzazione, ossia di assunzione da parte dell’encefalo del controllo di funzioni mediate in segmenti inferiori del sistema nervoso centrale; corollario dell’encefalizzazione è la corticalizzazione, ossia il progressivo spostarsi verso la corteccia (e la neocorteccia in ambito corticale) del controllo di varie funzioni (un esempio è costituito dalla vocalizzazione: controllata dal mesencefalo in molti mammiferi e regolata con la parola dalle aree corticali di Broca e Wernicke nella specie umana). Sebbene tale principio incontri molte eccezioni e per questo è stato accantonato, riteniamo che valga la pena di essere conosciuto.