Scoperti neuroni motori per apprendere il canto
ROBERTO COLONNA
NOTE
E NOTIZIE - Anno XV – 20 maggio 2017.
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]
Basandosi su evidenze sperimentali accumulate negli
anni, da tempo si specula circa la possibilità che l’apprendimento vocale di un
animale adulto dipenda da una via che paradossalmente va dal versante motorio
esecutivo a quello acustico recettivo; tuttavia, ad oggi questa ipotesi non era
stata suffragata dalla dimostrazione dell’esistenza di cellule motorie che invierebbero
tali segnali. Lo studio del canto degli uccelli, straordinaria fonte di
conoscenze neuroscientifiche - basti pensare alla scoperta della neurogenesi
nel cervello adulto di un vertebrato da parte di Fernando Nottebohm - ha
costituito il campo di indagine per l’identificazione di tali neuroni.
Todd F. Roberts, Erin Hisey e colleghi non solo hanno identificato il tipo di neuroni
che trasmette segnali motori vocali alla corteccia uditiva nel cervello di
uccelli canori, ma hanno anche definito un circuito motorio-uditivo di cruciale
importanza per l’imitazione vocale e per la modificazione adattativa di altri
parametri del canto.
(Roberts T. F., et al. Identification
of a motor-to-auditory pathway important for vocal learning. Nature Neuroscience – Epub ahead of
print doi: 10.1038/nn.4563, 2017).
La provenienza
degli autori è la seguente: Department of Neuroscience, University of Texas
Southwestern Medical Center, Dallas, Texas (USA); Department of Neurobiology,
Duke University Medical Center, Durham, North Carolina (USA); Program in
Neuroscience, University of California San Francisco (UCSF), San Francisco, CA
(USA); Department of Psychiatry, Stanford University, Stanford, CA (USA).
Se il canto degli uccelli ha da sempre affascinato
le persone sensibili alla musica, inducendo lo stesso Wolfgang Amadeus Mozart
ad imitare i gorgheggi aviari nelle sue composizioni, il suo studio è stato
storicamente limitato all’analisi delle strutture sonore, e solo a partire
dagli anni Sessanta del Novecento è cominciata l’indagine biologica dei
meccanismi della sua produzione. Si adoperò inizialmente un approccio neuroetologico, che consentì di risalire dalla siringe al
cervello ed individuare nel nucleo dell’ipoglosso, XII paio dei nervi cranici,
la sede di controllo del principale nervo esecutore. Negli anni seguenti fu
individuato un altro aggregato di neuroni importanti per il canto, il centro vocale superiore (HVC, da high vocal center),
e poco a poco fu scoperta una rete di connessioni che collega vari nuclei
centrali e termina nell’ipoglosso. Le registrazioni elettrofisiologiche hanno
contribuito in maniera decisiva a definire il ruolo di questi nuclei nella
produzione del canto: i periodi di attività ed inattività dei neuroni nel centro vocale superiore e nei nuclei denominati
RA e Nif sono correlati con le note prodotte e le
pause silenziose.
Il prosieguo degli studi ha consentito di rilevare
che molti aspetti funzionali del circuito alla base del canto sono dovuti a
specializzazioni altamente specifiche ed associate a capacità complesse di
apprendimento e produzione, proprie delle oltre 400 specie di uccelli canori.
Negli anni più recenti, lo schema della struttura
neurofunzionale dedicata al canto nel cervello aviario è stato integrato da un
circuito per la produzione vocale di nuova identificazione; tale circuito è
costituito da numerosi aggregati neuronici, non necessari al mantenimento del
canto nell’adulto ma indispensabili per lo sviluppo delle abilità canore nel
giovane.
È noto da prima della nascita dell’ornitologia, agli
allevatori e a conoscitori di uccelli da canto, che nella massima parte delle
specie, e praticamente in tutte quelle dette in Italia “da gabbia e da
voliera”, è il maschio il cantore. Le femmine, tranne rarissime eccezioni, si
limitano a pigolii, senza mai produrre una frase del canto tipico della specie.
Questa particolarità ha indotto i ricercatori ad indagare e poi definire con
precisione il ruolo degli ormoni. Nei maschi, il testosterone prodotto dalle
gonadi raggiunge il cervello, dove viene convertito in estradiolo, ormone
femminile che paradossalmente determina la mascolinizzazione del cervello. Tale
processo, essenziale per lo sviluppo delle abilità di canto, è legato al tasso
di estradiolo nella prima settimana di vita dopo la schiusa delle uova. Nel Diamante mandarino o diamantino i nuclei motori del circuito
del canto sono da tre a cinque volte più grandi nei maschi; le femmine trattate
con estradiolo nella prima settimana di vita hanno sviluppato nuclei motori
grandi quasi quanto quelli dei maschi. Lo stesso trattamento della femmina
adulta non ha portato risultati. Nel canarino, in cui la femmina, pur non
cantando in senso stretto non è del tutto priva di canto come la femmina del
diamantino ma può emettere qualche gorgheggio, è stato sperimentato il
trattamento con androgeni della femmina adulta. Il risultato è significativo:
gli androgeni hanno indotto l’allungamento dei dendriti e consentito nuovi
arrangiamenti sinaptici nei nuclei HVC e RA, che sono anche aumentati
notevolmente di dimensione; le canarine così trattate hanno prodotto brani di
canto.
Parallelamente alle variazioni ormonali, la
morfologia del sistema di controllo vocale nei canarini maschi cambia secondo
la stagione: la dimensione dei nuclei HVC e RA in primavera può essere quasi il
doppio dell’autunno; tali caratteristiche sono state rilevate in altre specie,
ed è stata sperimentata l’influenza della durata del periodo di illuminazione
solare durante il giorno. Da una a tre settimane di esposizione alla luce sono
in genere sufficienti per produrre queste variazioni volumetriche. Ricordiamo,
per inciso, che la prima osservazione di tali cambiamenti condusse, nel 1983,
alla già citata scoperta della neurogenesi nel cervello adulto, dando luogo
negli anni Novanta alla scoperta del fenomeno di produzione di nuovi neuroni
nell’ippocampo del cervello umano, infrangendo un dogma assoluto della
neurologia classica. Negli uccelli accade, nell’apprendimento del canto, che
nuovi neuroni nati nella zona subventricolare migrino verso le aree del
cervello anteriore dove la vocalizzazione è prodotta.
Concludendo questa sintesi introduttiva per tornare
al lavoro qui recensito, mi piace ricordare che l’interesse per lo studio del
canto degli uccelli deriva anche dal fatto che si sono riscontrate omologie
genetiche, neurofisiologiche e linguistiche con le funzioni vocali e verbali
umane.
Imparare a vocalizzare dipende dall’abilità di
modificare adattativamente la dimensione temporale e spettrale degli elementi vocali. Sulla base di evidenze sperimentali
è stato teorizzato che neuroni veicolanti al sistema uditivo segnali collegati
ai processi motori, abbiano il ruolo di facilitare l’apprendimento vocale, ma
l’identità di tali cellule nervose e la loro precisa funzione sono rimaste fino
ad oggi sconosciute. Todd F. Roberts, Erin Hisey e colleghi hanno identificato nel cervello di uccelli
cantori un tipo neuronico,
sconosciuto in precedenza, che sicuramente trasmette segnali motori vocali alla
corteccia uditiva impegnata nei
processi di acquisizione delle frasi che costituiscono il canto tipico della
specie.
È noto che l’aspetto acquisito principale
nell’apprendimento del canto da parte dei giovani esemplari delle specie
aviarie canore è costituito dall’imitazione dei maschi adulti. I ricercatori hanno
allora provveduto all’ablazione genetica dei neuroni da loro scoperti negli
uccelli giovani, per verificarne l’importanza nel processo di acquisizione del
canto. L’eliminazione funzionale delle cellule nervose di nuova identificazione
perturbava in maniera significativa
l’abilità di imitare gli elementi
acustici fondamentali del canto prodotto da un adulto fungente da modello o,
come si suole dire, da tutor.
Gli esperimenti sugli esemplari adulti hanno
prodotto altri risultati di notevole interesse. L’eliminazione dei neuroni
motori di nuova identificazione aveva un effetto molto limitato sulle “canzoni”
apprese in precedenza, ma interferiva
in maniera significativa con l’abilità fisiologica degli uccelli di modificare,
adattandola, la durata degli elementi vocali. Inoltre, impediva in maniera
estesa la degradazione normale di elementi temporali del canto: un anomalo
funzionamento che si osserva quando si produce sordità.
Sulla base di tutti i dati emersi, per il cui
dettaglio si rimanda alla lettura del testo integrale del lavoro originale, gli
autori dello studio hanno identificato un circuito motorio-uditivo essenziale
per l’imitazione vocale e per le modificazioni adattative della temporizzazione
vocale nel cervello.
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
E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).
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