Chiarito il processo ippocampale di codifica associativa e predittiva

 

 

DIANE RICHMOND

 

 

NOTE E NOTIZIE - Anno XX – 28 ottobre 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]

 

L’ippocampo è tra le strutture cerebrali più intensamente studiate e la ricerca produce una mole notevole di dati, che non si riesce a ricondurre ad un unico modello funzionale e spesso viene ripartita in due categorie, ciascuna a supporto delle due visioni principali del ruolo fisiologico di questa formazione telencefalica. Il cervello genera modelli dell’ambiente che usa per guidare i comportamenti flessibili: questo processo richiede l’apprendimento degli “stati del mondo esterno” e dei “rapporti di transizione” fra questi stati. Uno di questi modelli interni è la mappa cognitiva dell’ippocampo, che supporta una varietà di funzioni, quali l’apprendimento associativo, la pianificazione perlustrativa e l’inferenza. Non è noto quali elementi e aspetti della codifica ippocampale siano richiesti per ciascuno di questi ruoli e, soprattutto, in che modo la codifica ippocampale supporta la memoria predittiva e la memoria associativa.

Can Liu e colleghi coordinati da Antonio Fernandez-Ruiz hanno ipotizzato che due modi di attività dell’ippocampo supportino, rispettivamente, l’apprendimento degli stati del mondo e l’apprendimento degli stati di transizione. I ricercatori hanno considerato che 1) la co-attivazione sincrona di gruppi di neuroni ippocampali (cell assemblies) può codificare elementi di stati individuali, formando un codice associativo; 2) l’attivazione ordinata di queste cell assemblies in sequenze rilevanti in termini comportamentali può codificare la struttura del rapporto tra due stati, formando un codice predittivo.

Gli studi precedenti non sono stati in grado di distinguere questi due codici dinamici, né di fornire evidenze delle loro specifiche funzioni, Liu e colleghi hanno invece ottenuto risultati di grande rilievo.

(Liu C., et al., Associative and predictive hippocampal codes support memory-guided behavior. Science 382 (6668) – Epub ahead of print doi: 10.1126/science.adi8237, 2023).

La provenienza degli autori è la seguente: Department of Neurobiology, Cornell University, Ithaca, NY (USA); Department of Neurobiology and Behavior, Cornell University, Ithaca, NY (USA).

Prima di esporre e discutere i contenuti dell’interessante studio qui recensito, propongo una breve introduzione alla fisiologia dell’ippocampo tratta da un mio precedente articolo, la cui lettura integrale consente di avere i riferimenti a numerosi studi sulle cellule della mappa ippocampale e della mappa entorinale.

Le peculiarità dell’ippocampo sono numerose e, generalmente, in fisiologia si evidenziano paragonando le differenze al livello cellulare tra i processi di memoria corticale e i processi di memoria ippocampale. Ad esempio, la working memory dipende da un’attività neurale persistente nella corteccia prefrontale, mentre la memoria esplicita dei mammiferi richiede varie forme di LTP nell’ippocampo.

La memoria spaziale dipende dal processo di LTP delle sinapsi ippocampali; infatti, un gran numero di approcci sperimentali diversi ha dimostrato che l’inibizione del potenziamento a lungo termine interferisce con la memoria spaziale. Numerosi esperimenti sulle basi della memoria spaziale, condotti utilizzando il paradigma del Morris water maze, hanno dimostrato che l’apprendimento spaziale richiede i recettori NMDA del glutammato necessari per lo sviluppo di LTP. Prove più dirette sono venute da topi mutanti con mutazioni che interferiscono con lo sviluppo del potenziamento sinaptico. Numerosi altri esperimenti hanno dimostrato che una vasta gamma di manipolazioni farmacologiche e genetiche che alterano lo sviluppo di LTP sono associate ad alterazioni dell’apprendimento spaziale e della memoria spaziale.

La mappa spaziale del mondo esterno, attraverso la mappatura dell’ambiente occupato e percorso da una persona o da un animale, è sviluppata nell’ippocampo – come abbiamo ricordato prima – dalle cellule di luogo, che sono gli stessi neuroni piramidali capaci di LTP, dunque è stato valutato sperimentalmente il ruolo del potenziamento a lungo termine nella formazione e nella conservazione della mappa. Un’articolata sperimentazione, che inizialmente aveva rilevato – a sorpresa – che nei topi privi della subunità NR1 degli NMDA e dunque privi di LTP i neuroni scaricavano ugualmente nei campi di luogo, si è infine accertato che il tardo LTP non è necessario per la formazione dei campi di luogo, ma per la loro stabilizzazione a lungo termine.

Un altro aspetto della fisiologia dell’ippocampo è stato accuratamente indagato: un’efficace conservazione e rievocazione della memoria esplicita richiede la capacità di distinguere tra due immagini, episodi o forme spaziali molto simili; tale funzione è detta pattern separation. La memoria esplicita può anche usare tracce frammentarie e stimoli parziali per recuperare ricordi riempiendo i vuoti di un’impronta mnemonica basata sulla conoscenza; tale funzione è detta pattern completion. La sperimentazione ha dimostrato che queste due funzioni sono svolte da differenti sub-regioni dell’ippocampo”[1].

Antonio Fernandez-Ruiz, Can Liu e colleghi hanno impiegato un approccio optogenetico in ratti in attività fisiologica, per dissociare i due schemi di codificazione indagati, con lo scopo di perturbare il codice predittivo, costituito da sequenze ippocampali, preservando il codice associativo (rate coding e coactivity dynamics). La dissociazione è stata portata a termine con successo e ha consentito di esaminare le differenti funzioni di memoria di questi due codici.

I ricercatori hanno perturbato optogeneticamente la fine coordinazione temporale delle scariche delle place cells (cellule di luogo) mentre i roditori percorrevano specifiche traiettorie spaziali in un labirinto nuovo. Questa manipolazione ha distrutto le proprietà del codice predittivo, quali le sequenze delle cellule di luogo compresse temporalmente, lasciando intatte le dinamiche di rete globali, le sintonie spaziali di singole cellule e le proprietà di frequenza della codifica.

Durante il sonno dopo la nuova esperienza, Liu e colleghi hanno osservato che le assemblee cellulari codificanti localizzazioni discrete nel labirinto erano riattivate in SWR (short wave-ripples), non alterate dalla manipolazione. Tuttavia, la loro struttura sequenziale non riproduceva l’ordine in cui erano state attive nel compito, risultando in una “replica di sequenza alterata” per traiettorie perturbate. Questo risultato mostra una dissociazione tra la riattivazione dell’assemblea cellulare e la ripetizione della sequenza corretta, due fenomeni che in precedenza erano ascritti a un unico processo sottostante.

È interessante notare che la stessa manipolazione non alterava la replica delle traiettorie familiari, suggerendo che la precisa coordinazione temporale dell’attivazione delle cellule di luogo durante l’apprendimento media la plasticità iniziale richiesta per successive ripetizioni. Le simulazioni computerizzate suggeriscono che distinti meccanismi di plasticità hebbiana mediano la riattivazione delle assemblee e la replica della sequenza.

Per gli altri dettagli della sperimentazione, che richiederebbero una lunga esposizione, si rinvia alla lettura del testo dell’articolo originale; qui di seguito si propone una breve discussione dei risultati.

Quanto emerso dalla sperimentazione fornisce dati che indicano una dissociazione sia in termini di meccanismo che in termini funzionali tra coattività e codici di sequenza nell’ippocampo. Le cellule ippocampali con risposte simili a variabili comportamentali si attivano insieme, formando assemblee funzionali durante l’apprendimento, che sono poi riattivate in onde SWR durante il sonno. Tali assemblee cellulari codificano stati discreti dell’ambiente, un codice associativo che è sufficiente per alcuni tipi di memorie episodiche. In quanto queste assemblee cellulari sono attivate in uno specifico ordine durante il comportamento dell’animale, formano sequenze ippocampali temporalmente compresse e promuovono la plasticità secondo la legge di Hebb. Questo processo consente la replica di sequenze rilevanti per il comportamento durante le onde SWR. Così, sequenze ippocampali codificano strutture transizionali degli stati del mondo, generando un modello predittivo in cima al codice associativo delle singole assemblee neuroniche.

Il quadro che ne risulta costituisce un nuovo e significativo contributo alla nostra comprensione di come le associazioni di memoria si sviluppano in rappresentazioni predittive del mondo e aiutano a riconciliare le differenti concezioni della fisiologia dell’ippocampo.

 

L’autrice 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”).

 

Diane Richmond

BM&L-28 ottobre 2023

www.brainmindlife.org

 

 

 

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[1] Note e Notizie 28-01-23 La codifica nel tempo dei neuroni ippocampali.