Come si forma la memoria e i ricordi?

Una donna che cammina per strada sente un botto. Qualche istante dopo scopre che il suo fidanzato, che camminava davanti a lei, è stato colpito. Un mese dopo, la donna si presenta al pronto soccorso. I rumori dei camion della spazzatura, dice, le causano attacchi di panico. Il suo cervello aveva formato una profonda e duratura connessione tra i suoni forti e la vista devastante di cui era stata testimone.

Questa storia, raccontata dallo psichiatra clinico e co-autore di un nuovo studio, Mohsin Ahmed, MD, PhD, è un potente esempio della capacità del cervello di ricordare e collegare eventi separati nel tempo. E ora, ricorda Medical News Today, da cui abbiamo preso spunto per questo approfondimento, in quel nuovo studio sui topi pubblicato su Neuron, gli scienziati del Columbia’s Zuckerman Institute hanno fatto luce su come il cervello possa formare tali legami duraturi.

Gli scienziati hanno scoperto un meccanismo sorprendente con cui l’ippocampo, una regione cerebrale critica per la memoria, costruisce ponti attraverso il tempo: sparando raffiche di attività che sembrano casuali, ma che in realtà costituiscono uno schema complesso che, nel tempo, aiuta il cervello a imparare le associazioni. Rivelando i circuiti alla base dell’apprendimento associativo, i risultati gettano le basi per una migliore comprensione dei disturbi legati all’ansia e ai traumi e ai fattori di stress, come il panico e i disturbi da stress post-traumatico, in cui un evento apparentemente neutro può suscitare una risposta negativa.

“Sappiamo che l’ippocampo è importante in forme di apprendimento che implicano il collegamento di due eventi che accadono a distanza anche di 10 o 30 secondi l’uno dall’altro”, ha detto Attila Losonczy, MD, PhD, ricercatore principale presso il Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute della Columbia e coautore dell’articolo. “Questa capacità è una chiave per la sopravvivenza, ma i meccanismi dietro di essa si sono rivelati elusivi. Con l’odierno studio sui topi, abbiamo mappato i complessi calcoli che il cervello compie per collegare eventi distinti che sono separati nel tempo”.

L’ippocampo — una piccola regione a forma di cavalluccio marino sepolta in profondità nel cervello — è un importante quartier generale per l’apprendimento e la memoria. Precedenti esperimenti sui topi hanno dimostrato che il disturbo dell’ippocampo lascia gli animali con difficoltà nell’imparare ad associare due eventi separati da decine di secondi.

“L’opinione prevalente è che le cellule dell’ippocampo mantengono un livello di attività persistente per associare tali eventi”, ha detto il Dr. Ahmed, assistente professore di psichiatria clinica presso il Vagelos College of Physicians and Surgeons della Columbia, e co-first author dello studio di oggi. “Spegnendo queste cellule si interromperebbe così l’apprendimento”.

Per testare questa visione tradizionale, i ricercatori hanno immaginato parti dell’ippocampo dei topi mentre gli animali venivano esposti a due diversi stimoli: un suono neutro seguito da un piccolo ma spiacevole soffio d’aria. Un ritardo di quindici secondi separava i due eventi. Gli scienziati hanno ripetuto questo esperimento attraverso diverse prove. Nel corso del tempo, i topi hanno imparato ad associare il tono con lo sbuffo d’aria che presto seguirà. Utilizzando la microscopia a due fotoni avanzata e l’imaging funzionale del calcio, hanno registrato l’attività di migliaia di neuroni, un tipo di cellula cerebrale, nell’ippocampo degli animali contemporaneamente nel corso di ogni prova per molti giorni.

“Con questo approccio, potremmo imitare, anche se in modo più semplice, il processo che il nostro cervello subisce quando impariamo a collegare due eventi”, ha detto il dottor Losonczy, che è anche professore di neuroscienze al Vagelos College of Physicians and Surgeons della Columbia.

Per dare un senso alle informazioni raccolte, i ricercatori hanno collaborato con neuroscienziati computazionali che sviluppano potenti strumenti matematici per analizzare grandi quantità di dati sperimentali.

“Ci aspettavamo di vedere un’attività neurale ripetitiva e continua che persisteva durante i quindici secondi, un’indicazione dell’ippocampo al lavoro che collegava il tono uditivo e il soffio d’aria”, ha detto il neuroscienziato computazionale Stefano Fusi, PhD, ricercatore principale dello Zuckerman Institute della Columbia e coautore dell’articolo. “Ma quando abbiamo iniziato ad analizzare i dati, non abbiamo visto alcuna attività di questo tipo”.

Al contrario, l’attività neurale registrata durante il gap temporale di quindici secondi è stata scarsa. Solo un piccolo numero di neuroni ha sparato, e lo hanno fatto in modo apparentemente casuale. Questa attività sporadica sembrava distintamente diversa dall’attività continua che il cervello mostra durante altre attività di apprendimento e di memoria, come la memorizzazione di un numero di telefono.

“L’attività sembra venire in forma e scoppia in periodi di tempo intermittenti e casuali durante tutto il compito”, ha detto James Priestley, un dottorando co-mentored dai dottori Losonczy e Fusi al Columbia’s Zuckerman Institute e coautore del giornale. “Per capire l’attività, abbiamo dovuto cambiare il modo in cui analizzavamo i dati e utilizzare strumenti progettati per dare un senso ai processi casuali”.

In definitiva, i ricercatori hanno scoperto uno schema nella casualità: uno stile di calcolo mentale che sembra essere un modo straordinariamente efficiente con cui i neuroni immagazzinano le informazioni. Invece di comunicare costantemente tra loro, i neuroni risparmiano energia – forse codificando l’informazione nelle connessioni tra le cellule, chiamate sinapsi, piuttosto che attraverso l’attività elettrica delle cellule.

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