Lavorando con larve di pesce zebra di una settimana, i ricercatori della Weill Cornell Medicine e colleghi hanno decodificato il modo in cui le connessioni formate da una rete di neuroni nel tronco cerebrale guidano lo sguardo dei pesci. Lo studio, pubblicato il 22 novembre su Nature Neuroscience, ha scoperto che un circuito artificiale semplificato, basato sull’architettura di questo sistema neuronale, può prevedere l’attività nella rete. Oltre a far luce sul modo in cui il cervello gestisce la memoria a breve termine, i risultati potrebbero portare a nuovi approcci per il trattamento dei disturbi del movimento oculare.
Gli organismi assimilano costantemente una serie di informazioni sensoriali sull’ambiente che cambia da un momento all’altro. Per valutare accuratamente una situazione, il cervello deve trattenere queste informazioni abbastanza a lungo da usarle per formare un quadro completo, ad esempio collegando insieme le parole in una frase o consentendo a un animale di mantenere gli occhi diretti su un’area di interesse.
“Cercare di capire come questi comportamenti della memoria a breve termine vengono generati a livello del meccanismo neurale è l’obiettivo principale del progetto”, ha affermato l’autore senior Dr. Emre Aksay, professore associato di fisiologia e biofisica presso la Weill Cornell Medicine, che ha guidato lo studio. studio, insieme al dottor Mark Goldman dell’Università della California Davis e al dottor Sebastian Seung dell’Università di Princeton.
Modellazione di un sistema dinamico
Per decodificare il comportamento di tali circuiti neuronali, i neuroscienziati utilizzano gli strumenti dei sistemi dinamici, che implicano la costruzione di modelli matematici che descrivono come lo stato di un sistema cambia nel tempo, dove lo stato attuale determina i suoi stati futuri secondo una serie di regole. Un circuito di memoria a breve termine, ad esempio, rimarrà in un unico stato preferito finché non arriva un nuovo stimolo, facendolo stabilizzare in un nuovo stato di attività. Nel sistema visivo-motorio, ciascuno di questi stati può immagazzinare la memoria di dove un animale dovrebbe guardare.
Ma quali parametri aiutano a impostare quel tipo di sistema dinamico? Una possibilità è l’anatomia del circuito: le connessioni che si formano tra ciascun neurone e il numero di connessioni che creano. Un’altra probabile possibilità è la forza fisiologica di tali connessioni, stabilita da una miriade di fattori come la quantità di neurotrasmettitore rilasciato, il tipo di recettori sinaptici e la concentrazione di tali recettori.
Per comprendere i contributi dell’anatomia del circuito, il dottor Aksay e i suoi collaboratori hanno esaminato le larve del pesce zebra. Entro i cinque giorni di età, questi pesciolini nuotano e cacciano le prede, un’abilità che richiede un’attenzione visiva prolungata. Un aspetto importante per il gruppo di ricerca è che la regione del cervello che controlla il movimento degli occhi è strutturalmente simile nei pesci e nei mammiferi. Ma il sistema del pesce zebra contiene solo 500 neuroni. “Quindi, possiamo analizzare l’intero circuito, microscopicamente e funzionalmente”, ha detto il dottor Aksay. “È molto difficile da fare in altri vertebrati.”
Il pesce zebra fa luce sui circuiti neuronali
Utilizzando una serie di tecniche di imaging avanzate, il dottor Aksay e colleghi hanno identificato i neuroni che partecipano al controllo dello sguardo degli animali e hanno quindi determinato come questi neuroni sono collegati insieme. Hanno scoperto che il sistema è costituito da due importanti circuiti di feedback, ciascuno contenente tre gruppi di cellule strettamente connesse. I ricercatori hanno utilizzato questa architettura distintiva per costruire un modello computazionale. Hanno scoperto che la loro rete artificiale poteva prevedere con precisione i modelli di attività del circuito del pesce zebra, che hanno convalidato confrontando i risultati con i dati fisiologici.
“Mi considero innanzitutto un fisiologo”, ha detto il dottor Aksay. “Quindi, sono rimasto sorpreso da quanto del comportamento del circuito potessimo prevedere solo dall’architettura anatomica.”
Successivamente, i ricercatori esploreranno il modo in cui le cellule di ciascun cluster contribuiscono al comportamento del circuito e se i neuroni nei diversi cluster hanno firme genetiche distinte. Tali informazioni potrebbero consentire ai medici di prendere di mira terapeuticamente quelle cellule che potrebbero non funzionare correttamente nei disturbi del movimento oculare. I risultati forniscono anche un modello per svelare i sistemi computazionali più complessi del cervello che si basano sulla memoria a breve termine, come quelli coinvolti nella decifrazione di scene visive o nella comprensione del parlato.
Questo studio è stato sostenuto in parte dalle sovvenzioni del National Institutes of Health del National Institute of Neurological Disorders and Stroke R01 NS104926 e dal Brain Initiative Award 5U19NS104648; il National Eye Institute R01 EY027036, R01 EY021581 e K99 EY027017; e il National Cancer Institute UH2 CA203710.
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