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

www.brainmindlife.org

 

 

 

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[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.