Affascinante ruolo dei neuroni
ascendenti del sistema motorio
GIOVANNI
ROSSI
NOTE E NOTIZIE - Anno XX – 01 aprile
2023.
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]
Il cervello degli animali, per generare
comportamenti adeguati alla circostanza ed efficaci in senso adattativo, non necessita
solo di informazioni sensoriali dall’ambiente, ma ha anche bisogno di conoscere
il suo stato interno, ossia deve sapere da quale condizione di partenza
sviluppare i processi esecutivi. Questo aspetto è in ogni caso rilevante, ma assume
un’importanza crescente al crescere della complessità del sistema intelligente
preso in esame. Lo stato interno o l’andamento del funzionamento in atto o in
corso, che presuppone una molteplicità di stati o possibilità funzionali, deve
essere conosciuto anche nei modelli di intelligenza artificiale, ed è stato un
presupposto nella realizzazione dei robot mobili[1].
Ma, rimanendo agli animali, sapere se si è a riposo
o in movimento consente di interpretare correttamente gli stimoli
sensoriali e capire, ad esempio, nel tracciamento visivo di oggetti o nel
percepire le fluttuazioni di intensità di un odore mentre si segue una pista
olfattiva, se le informazioni dinamiche sono tali per il movimento di ciò che
si sta percependo nell’ambiente (exafference)
o per il movimento del proprio corpo nello spazio (reafference)
mentre le fonti di stimoli sono ferme. Oppure, si può fare l’esempio del conoscere
la postura corrente o, meglio, lo stato cerebrale che la codifica: è un
presupposto che consente di evitare la selezione di schemi comportamentali che
in quella posizione farebbero perdere l’equilibrio o sarebbero letteralmente
impossibili da eseguire.
In linea con questo quadro teorico, sono state studiate
le rappresentazioni neurali degli stati comportamentali in atto nel cervello di
mammiferi roditori, come i topi, e nell’omologo cerebrale di un insetto, quale Drosophila
melanogaster. Per la semplicità del sistema nervoso centrale del moscerino
della frutta e dell’aceto gli studi sui rapporti tra lo stato comportamentale
in corso e l’esecutività percettiva o motoria sono stati più numerosi. Tali
studi hanno dimostrato che, nell’insetto, il volo o la semplice locomozione
modulano in due modi diversi i neuroni del sistema visivo; hanno anche
dimostrato che la velocità alla quale il moscerino si muove determina la selezione
di un movimento di corsa o di un arresto, in risposta a uno stimolo che induce
paura.
Nonostante questo progresso di conoscenze le origini
cellulari dei segnali di stato comportamentali nel cervello rimangono in
massima parte sconosciuti. Un’ipotesi generalmente accettata e analizzata in
vari studi è che i segnali che definiscono lo stato comportamentale attuale del
corpo nel cervello originano come “copie di efferenza”
di segnali generati dai neuroni discendenti (DN) del cervello, che guidano
i sistemi motori a valle. Ma recentemente questa ipotesi è stata criticata, e
poi è stata provata la sua difficile sostenibilità: i comandi discendenti dal
cervello sono continuamente modellati e modulati dalle interazioni
muscoloscheletriche con l’ambiente, dunque queste vie non possono veicolare un’informazione
pura sullo stato attuale rappresentato nel cervello. Allora si è rivolta l’attenzione
ai neuroni ascendenti, non quelli delle vie sensoriali nei mammiferi ben
separate per la loro origine nei cordoni posteriori del midollo spinale, ma le
cellule nervose presenti nelle vie discendenti motorie e caratterizzate dall’invio
dei loro assoni controcorrente verso il cervello dove inviano impulsi originati
dalla loro elaborazione delle informazioni propriocettive e tattili provenienti
dai segmenti corporei periferici.
Sebbene si ritenga che questi segnali siano
convogliati da un subset di neuroni meccano-sensoriali primari degli
arti, è molto probabile che le loro informazioni siano rielaborate da neuroni
ascendenti (AN) di secondo ordine e di ordine superiore residenti nel
midollo spinale dei vertebrati e nella corda ventrale degli insetti[2].
Finora pochi tipi geneticamente identificabili di
cellule nervose AN sono state studiate in animali in attività, e
prevalentemente in Drosophila melanogaster, organismo che ha un basso
numero complessivo di neuroni che consente una più agevole identificazione genetica.
Chin-Lin Chen e numerosi colleghi coordinati da Pavan Ramdya hanno ritenuto i neuroni AN del sistema motorio in
posizione ideale per fornire i segnali di stato attuale, rilevando che fino ad
oggi non è stato mai definito cosa esattamente codifichino queste cellule e
dove trasmettano questa informazione. Per dare risposta a questi impliciti
interrogativi i ricercatori hanno impiegato un imaging funzionale di
ampia scala in animali attivi con quantificazione morfologica.
(Chin-Lin
Chen et al., Ascending neurons convey behavioral state to integrative
sensory and action selection brain region. Nature Neuroscience – Epub ahead
of print doi: 10.1038/s41593-023-01281-z,
2023).
La provenienza degli autori è la seguente: Neuroengineering Laboratory,
Brain Mind Institute & Interfaculty Institute of Bioengineering, EPFL,
Lausanne (Svizzera); Janelia
Research Campus, Howard Hughes Medical Institute, Ashburn, VA (USA).
Pavan Ramdya e colleghi, con gli strumenti indicati, sono
riusciti a interpretare la codifica e il bersaglio neuronico cerebrale di
centinaia di cellule nervose AN in esemplari adulti del moscerino Drosophila
melanogaster. I ricercatori hanno rilevato che le cellule ascendenti del
sistema motorio codificano stati comportamentali, specificamente veicolando
informazioni di auto-movimento (self-motion)
al protocerebrum anteriore ventro-laterale, un hub sensoriale integrativo,
e informazioni su azioni discrete alla regione detta gnathal
ganglia, un locus del cervello del moscerino
specializzato nella selezione delle azioni da compiere.
I
ricercatori hanno poi compreso che i pattern di proiezione delle cellule
AN all’interno del sistema neuronico motorio rivelano la loro codifica.
I
risultati ottenuti in questo studio indicano che le popolazioni di cellule con assoni
di proiezione ascendenti, all’interno del sistema motorio discendente,
informano distinti hubs del cervello circa il movimento dell’insetto e i
comportamenti in atto, e possono fornire un’importante base per i calcoli e le
elaborazioni richieste per un idoneo, opportuno ed efficace agire adattativo.
In attesa di verifiche sperimentali nel cervello dei mammiferi, registriamo questa
nuova, stimolante acquisizione.
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”).
Giovanni Rossi
BM&L-01 aprile 2023
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2003 con codice fiscale 94098840484, come organizzazione scientifica e culturale
non-profit.
[1]
Brooks R. A., A robust layered control system for a mobile robot. IEEE Journal
on Robotics and Automation 2, 14-23, 1986.
[2] Nella bibliografia del lavoro
qui recensito si citano gli studi che hanno dimostrato l’esistenza e il ruolo
di questi neuroni nei mammiferi, menzionati anche in opere di neuroanatomia
funzionale, e i lavori che li hanno identificati e studiati in Drosophila.