martedì, 31 Gennaio 2023

Come vedere una memoria

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Anche se non è una superfan di Sherlock, la neuroscienziata cognitiva Janice Chen conosce meglio di chiunque altro il dramma poliziesco della BBC perché con l’aiuto di uno scanner cerebrale, spia quello che succede all’interno delle teste degli spettatori mentre guardano il primo episodio della serie e poi ne descrivono la trama.

Chen è una ricercatrice della Johns Hopkins University di Baltimora, nel Maryland e ha ascoltato ogni tipo di variazione della scena iniziale di Sherlock, quando una donna flirta con il noto detective in un obitorio. Alcune persone trovano Sherlock Holmes maleducato mentre altri pensano che sia ignaro delle avance nervose della donna. Ma Chen e i suoi colleghi hanno trovato qualcosa di strano quando hanno scansionato il cervello degli spettatori: mentre persone diverse ripetevano le versioni della stessa scena, i loro cervelli producevano modelli di attività molto simili.

Chen è tra il numero crescente di ricercatori che utilizzano l’imaging cerebrale per identificare i modelli di attività coinvolti nella creazione e nel richiamo di una memoria specifica. Negli ultimi decenni potenti innovazioni tecnologiche nelle neuroscienze umane e animali hanno consentito ai ricercatori di scoprire regole fondamentali su come i singoli ricordi si formano, si organizzano e interagiscono tra loro. Ad esempio, l’uso di tecniche per etichettare i neuroni attivi ha collegato i circuiti associati alla memoria di uno stimolo doloroso nei roditori e ha riattivato con successo questi percorsi per attivare la memoria. E negli umani, gli studi hanno identificato le firme di particolari ricordi, che rivelano alcuni dei modi in cui il cervello organizza e collega i ricordi per aiutare la memoria. Tali scoperte potrebbero un giorno aiutare a scoprire perché i ricordi diminuiscono nella vecchiaia o nella malattia, o come i falsi ricordi si insinuano nella mente dei testimoni oculari. Queste intuizioni potrebbero anche portare a strategie per migliorare l’apprendimento e la memoria.

La memoria è un processo altamente distribuito, non è relegato in nessuna regione del cervello. E diversi tipi di memoria coinvolgono diversi gruppi di aree. Molte strutture importanti per la codifica e il recupero della memoria, come l’ippocampo, si trovano fuori dalla corteccia. La maggior parte dei neuroscienziati ora crede che una determinata esperienza attivi un sottoinsieme di cellule lungo queste regioni, modificando la loro espressione genica, formando nuove connessioni e alterando la forza di quelle esistenti. Il ricordo, secondo le teorie correnti, ha luogo quando questi neuroni si attivano di nuovo e ripetono i modelli di attività associati all’esperienza passata.

Gli scienziati hanno elaborato alcuni principi di base che regolano questo ampio quadro. Ma testare teorie di livello superiore su come i gruppi di neuroni immagazzinano e recuperano specifici bit di informazione è ancora impegnativo. Solo negli ultimi dieci anni sono state introdotte nuove tecniche per l’etichettatura, l’attivazione e il silenziamento di specifici neuroni negli animali, che hanno permesso di individuare quali neuroni costituiscono una singola memoria.

Nel 2009, Chen e il suo team hanno potenziato il livello di una proteina di memoria chiave chiamata CREB in alcune cellule dell’amigdala (un’area coinvolta nell’elaborazione della paura), e hanno dimostrato che quei neuroni erano particolarmente suscettibili e si attivavano quando i topi hanno appreso, e in seguito ricordato, un’associazione spaventosa tra un tono uditivo e uno shock da piede. I ricercatori hanno argomentato che se queste cellule potenziate dal CREB fossero una parte essenziale dell’engram della paura, eliminarle cancellerebbe la memoria associata al tono e rimuoverebbe la paura degli animali. Quindi il team ha usato una tossina per uccidere i neuroni con livelli di CREB aumentati e gli animali hanno dimenticato la loro paura in modo permanente.

Alcuni mesi dopo, il gruppo di Alcino Silva all’Università della California, a Los Angeles, ottenne risultati simili, sopprimendo la paura nei topi inibendo biochimicamente i neuroni CREC. Nel processo, hanno anche scoperto che in un dato momento, le cellule con più CREB sono più eccitabili elettricamente dei loro vicini, il che potrebbe spiegare la loro prontezza a registrare le esperienze in arrivo. “In parallelo, i nostri laboratori hanno scoperto qualcosa di completamente nuovo – ci sono regole specifiche in base alle quali le cellule fanno parte dell’engram“, afferma Silva.
Ma questi tipi di studi di soppressione della memoria delineano solo metà dell’engram. Per provare oltre ogni dubbio che gli scienziati stavano di fatto guardando gli engram, anche loro dovevano produrre ricordi su richiesta. Nel 2012, il gruppo di Susumu Tonegawa presso il Massachusetts Institute of Technology di Cambridge ha riferito di aver creato un sistema che potrebbe fare proprio questo: manipolando geneticamente le cellule cerebrali nei topi, i ricercatori potrebbero etichettare i neuroni attivi con una proteina sensibile alla luce. Hanno preso di mira i neuroni nell’ippocampo, una regione essenziale per l’elaborazione della memoria. Con il sistema di tag attivo, gli scienziati hanno dato agli animali una serie di scosse a piedi. I neuroni che hanno risposto agli shock hanno creato una proteina sensibile alla luce, consentendo ai ricercatori di individuare le cellule che costituiscono la memoria. Potrebbero quindi innescare questi neuroni per sparare usando la luce laser, facendo rivivere la memoria sgradevole per i topi. In uno studio di follow-up, la squadra di Tonegawa ha posizionato i topi in una nuova gabbia e ha rilasciato scosse a piedi, mentre allo stesso tempo ha riattivato i neuroni che formavano l’engram di una gabbia “sicura”. Quando i topi furono riportati nel luogo sicuro, si immobilizzarono per la paura, dimostrando che il ricordo spaventoso era erroneamente associato a un luogo sicuro. Il lavoro di altri gruppi ha dimostrato che una tecnica simile può essere usata per taggare e quindi bloccare la memoria data. Questa raccolta di lavoro da più gruppi ha ottime ragioni per ritenere che la traccia fisiologica di una memoria – o almeno le componenti chiave di questa traccia – può essere legata a specifici neuroni, dice Silva. Tuttavia, i neuroni in una parte dell’ippocampo o dell’amigdala sono solo una piccola parte di un engram pauroso sotto shock, che implica visioni, odori, suoni e innumerevoli altre sensazioni. “Probabilmente è in 10-30 diverse regioni del cervello – questa è solo un’ipotesi”, dice Silva.

Le tecniche di imaging cerebrale negli esseri umani stanno dando ai ricercatori la possibilità di zoomare e guardare l’attività cerebrale che compone un engram. La tecnica più utilizzata, la risonanza magnetica funzionale (fMRI), non può risolvere singoli neuroni, ma mostra blob di attività in diverse aree del cervello. Convenzionalmente, la risonanza magnetica funzionale è stata utilizzata per individuare le regioni che rispondono più fortemente a vari compiti. Ma negli ultimi anni, potenti analisi hanno rivelato gli schemi distintivi, o firme, dell’attività cerebrale che appaiono quando le persone richiamano particolari esperienze. “È una delle rivoluzioni più importanti nelle neuroscienze cognitive”, afferma Michael Kahana, neuroscienziato dell’Università della Pennsylvania a Philadelphia, lo sviluppo di una tecnica chiamata analisi multi-voxel-pattern (MVPA) ha catalizzato questa rivoluzione. Talvolta chiamata decodifica del cervello, il metodo statistico in genere alimenta i dati fMRI in un algoritmo informatico che apprende automaticamente i modelli neurali associati a pensieri o esperienze specifici. Quando era solo uno studente, Sean Polyn – ora neuroscienziato alla Vanderbilt University di Nashville, nel Tennessee – ha contribuito a condurre uno studio seminale applicando la MVPA alla memoria umana per la prima volta. Nel suo esperimento, i volontari hanno studiato immagini di personaggi famosi, luoghi e oggetti comuni. Utilizzando i dati fMRI raccolti durante questo periodo, i soggetti sono stati studiati nello scanner mentre elencavano tutti gli elementi che potevano ricordare, le firme neurali specifiche per categoria apparse pochi secondi prima di ogni risposta. Prima di nominare una celebrità, ad esempio, è emerso il modello di attività “celebrità”, compresa l’attivazione di un’area della corteccia che elabora i volti.

Questa è stata una delle prime prove dirette del fatto che quando le persone recuperano una memoria specifica, il loro cervello rivive lo stato in cui si trovava quando codificava quell’informazione. Chen e altri hanno perfezionato le loro tecniche per decodificare le memorie con crescente precisione. Nel caso dello studio su Sherlock della dottoressa Chen, il suo gruppo ha scoperto che i modelli di attività cerebrale in 50 scene dell’episodio iniziale potevano essere chiaramente distinti l’uno dall’altro. Questi modelli erano straordinariamente specifici, a volte raccontavano scene che non includevano Sherlock e quelle avvenute all’interno o all’esterno. Vicino all’ippocampo e in diversi centri di elaborazione di alto livello come la corteccia mediale posteriore, i ricercatori hanno visto che  gli stessi schemi di visione della scena si manifestano man mano che ciascuna persona raccontava l’episodio anche se le persone descrivevano scene specifiche in modo diverso. Hanno persino osservato una simile attività cerebrale in persone che non avevano mai visto la serie tv, ma ne avevano viste altre. “È stata una sorpresa vedere la stessa impronta quando diverse persone stanno ricordando la stessa scena, descrivendola con le proprie parole, ricordandolo in qualsiasi modo vogliano ricordare “, dice Chen. I risultati suggeriscono che il cervello – anche nelle regioni di ordine superiore che elaborano la memoria, i concetti e la cognizione complessa – possa essere organizzato tra le persone in modo più simile del previsto. I ricercatori possono iniziare a studiare così, non solo come individuale la forma dei ricordi, ma anche come i ricordi interagiscono tra loro e cambiano nel tempo.

 

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Traduzione di Alessia Boragine

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