Uno studio del MIT può spiegare come i cervelli adulti creano nuovi ricordi

Geralt/Pixabay

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Le scoperte neuroscientifiche del cervello biologico sono importanti non solo perché possono portare a nuove terapie per trattare i disturbi cerebrali, ma anche perché possono servire come modelli per l’apprendimento automatico dell’intelligenza artificiale (AI). Un nuovo studio del Massachusetts Institute of Technology (MIT) mostra che esistono milioni di sinapsi silenziose nel cervello degli adulti, una scoperta che potrebbe sbloccare il modo in cui gli adulti sono in grado di apprendere continuamente e formare nuovi ricordi.

I neuroscienziati che hanno condotto questa scoperta rivoluzionaria sono l’autore principale Dimitra Vardalaki, MD, un Boehringer Ingelheim Fonds Ph.D. Fellow e laureato al MIT; l’autore senior Mark T. Harnett, Ph.D., an Professore Associato presso il Dipartimento di Cervello e Scienze Cognitive e membro del McGovern Institute for Brain Research del MIT; e coautore Kwanghun Chung, Ph.D., professore associato di ingegneria chimica e destinatario del Premio presidenziale all’inizio della carriera per scienziati e ingegneri.

Le sinapsi silenziose sono abbondanti nelle prime fasi dello sviluppo, durante il quale mediano la formazione e il perfezionamento dei circuiti, ma si ritiene che siano scarse nell’età adulta”, hanno scritto i ricercatori dell’Harnett Lab del MIT. “Tuttavia, gli adulti conservano una capacità di plasticità neurale e di apprendimento flessibile che suggerisce che la formazione di nuove connessioni è ancora prevalente”.

Questo nuovo studio dimostra che circa il 30% di tutte le sinapsi nella corteccia cerebrale dei topi adulti sono silenziose, secondo il MIT.

Le sinapsi sono il luogo in cui le cellule cerebrali o i neuroni si connettono e comunicano tra loro. Un singolo neurone può avere da poche a centinaia di migliaia di connessioni sinaptiche.

I neuroni hanno un corpo principale con filamenti. Il neurone trasmittente utilizza un sottile filamento chiamato assone per inviare segnali. Quando un segnale elettrico o un potenziale d’azione passa lungo un assone, la sua punta rilascia un segnale chimico chiamato neurotrasmettitore nella sinapsi. A seconda del neurotrasmettitore, il neurone ricevente può attivare una carica elettrica per segnalare un altro neurone o non sparare una carica. Il neurone ricevente può ricevere attraverso il suo corpo principale o rami simili ad alberi chiamati dendriti.

Prima di questa scoperta, gli scienziati avevano teorizzato che nei cervelli adulti la plasticità sinaptica fosse principalmente dovuta alle variazioni della forza sinaptica invece che all’introduzione o alla rimozione di singole sinapsi.

La scoperta è stata fatta come parte di uno studio successivo, anch’esso condotto presso il laboratorio di Harnett, che ha dimostrato che all’interno di un singolo neurone, diversi tipi di dendriti ricevono informazioni da aree distinte del cervello ed elaborano i segnali in modi diversi prima di passarli a il corpo del neurone. I ricercatori miravano a capire cosa avrebbe causato le differenze nel comportamento dei dendriti misurando i recettori dei neurotrasmettitori in vari rami dendritici.

Utilizzando un metodo sviluppato da Chung chiamato eMAP (epitope-preserving Magnified Analysis of the Proteome), i neuroscienziati hanno potuto ottenere immagini ad alta risoluzione attraverso l’espansione e l’etichettatura delle proteine ​​in un campione di tessuto. Durante l’imaging, hanno scoperto che c’erano sottili sporgenze di membrana che si estendevano dai dendriti chiamati filopodi.

Applicando eMAP ad altre parti del cervello adulto dei topi, i ricercatori hanno trovato filopodia in varie aree del cervello, inclusa la corteccia visiva, a livelli nettamente più alti di quanto non fosse mai stato visto prima.

Questi filopodi avevano recettori per neurotrasmettitori a cui mancavano i recettori AMPA, necessari per il passaggio di una corrente elettrica da parte delle sinapsi. I recettori AMPA sono un tipo di recettori del glutammato che mediano la rapida trasmissione sinaptica eccitatoria e svolgono un ruolo chiave nella plasticità sinaptica.

Per verificare se i filopodi scoperti sono sinapsi silenziose, i neuroscienziati hanno utilizzato un metodo patch-clamp modificato che prevede la somministrazione di una tensione attraverso la membrana cellulare per misurare la corrente risultante.

I neuroscienziati hanno scoperto che i filopodi erano sinapsi silenziose che potevano essere attivate dalla combinazione di una corrente elettrica dal corpo del neurone con un rilascio di glutammato. Inoltre, secondo i ricercatori, questa conversione è stata più facile rispetto alla modifica delle sinapsi mature.

“Le sinapsi nel cervello adulto hanno una soglia molto più alta, presumibilmente perché vuoi che quei ricordi siano abbastanza resistenti”, ha detto Harnett in una dichiarazione. “Non vuoi che vengano costantemente sovrascritti. Filopodia, invece, può essere catturata per formare nuovi ricordi”.

“Questo documento è, per quanto ne so, la prima vera prova che è così che funziona effettivamente nel cervello di un mammifero”, ha affermato Harnett in un rapporto del MIT.

Questa scoperta potrebbe spiegare come i cervelli dei mammiferi adulti possano apprendere e formare nuovi ricordi attraverso l’attivazione di sinapsi silenziose senza dover modificare le sinapsi esistenti.

Questi risultati sfidano il modello secondo cui la connettività funzionale è in gran parte fissata nella corteccia adulta e dimostrano un nuovo meccanismo per il controllo flessibile del cablaggio sinaptico che espande le capacità di apprendimento del cervello maturo”, hanno concluso i ricercatori del MIT.

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