Riepilogo: Un nuovo studio condotto da neuroscienziati del Picower Institute for Learning and Memory del MIT rivela come il cervello forma mappe cognitive degli spazi, sottolineando il ruolo del sonno in questo processo. Utilizzando topi che esploravano labirinti, i ricercatori hanno scoperto che mentre le “cellule di luogo” fortemente sintonizzate registravano immediatamente posizioni specifiche, le cellule spaziali debolmente collegavano gradualmente questi luoghi in mappe mentali coese nell’arco di diversi giorni. È stato dimostrato che il sonno affina queste connessioni, consentendo al cervello di formare una rappresentazione dello spazio più solida e navigabile.
Punti chiave:
- Il sonno è essenziale per la formazione della mappa mentale: Lo studio ha dimostrato che i topi a cui è stato permesso di dormire dopo aver esplorato i labirinti hanno sviluppato mappe cognitive significativamente più raffinate rispetto a quelli privati del sonno.
- Le cellule spaziali debolmente collegano i luoghi in una mappa coesa: A differenza delle “cellule di posizionamento”, che rispondono a posizioni specifiche, le cellule debolmente spaziali aiutano il cervello a unire diverse posizioni in una rappresentazione cognitiva continua.
- Le mappe cognitive sono schematiche, non letterali: Queste mappe mentali consentono una navigazione e una pianificazione flessibili codificando le relazioni tra luoghi, piuttosto che layout precisi di spazi fisici.
Il primo giorno della tua vacanza in una nuova città, le tue esplorazioni ti espongono a innumerevoli luoghi individuali. Anche se i ricordi di questi luoghi (come un bellissimo giardino in una tranquilla strada laterale) sembrano immediatamente indelebili, potrebbero passare giorni prima che tu abbia abbastanza intuito sul quartiere per indirizzare un nuovo turista verso quello stesso sito e poi magari al bar che hai scoperto. nelle vicinanze.
Un nuovo studio sui topi condotto da neuroscienziati del MIT presso il Picower Institute for Learning and Memory fornisce nuove prove su come il cervello forma mappe cognitive coese di interi spazi e sottolinea l’importanza fondamentale del sonno per questo processo.
Gli scienziati sanno da decenni che il cervello dedica i neuroni in una regione chiamata ippocampo al ricordo di luoghi specifici. Le cosiddette “cellule di luogo” si attivano in modo affidabile quando un animale si trova nel luogo in cui il neurone è sintonizzato per ricordare. Ma più utile che avere indicatori di spazi specifici è avere un modello mentale di come essi si relazionano tutti in una geografia complessiva continua. Sebbene tali “mappe cognitive” siano state formalmente teorizzate nel 1948, i neuroscienziati sono rimasti incerti su come il cervello le costruisca.
Il nuovo studio in scopre che la capacità può dipendere da cambiamenti sottili ma significativi nel corso dei giorni nell'attività di cellule che sono solo debolmente in sintonia con le singole posizioni, ma che aumentano la robustezza e la raffinatezza della codifica dell'intero spazio da parte dell'ippocampo. Con il sonno, indicano le analisi dello studio, queste cellule “debolmente spaziali” arricchiscono sempre più l'attività della rete neurale nell'ippocampo per collegare insieme questi luoghi in una mappa cognitiva.
“Il primo giorno, il cervello non rappresenta molto bene lo spazio”, afferma l'autore principale Wei Guo, ricercatore nel laboratorio dell'autore senior Matteo WilsonPhD, professore Sherman Fairchild presso il Picower Institute e i dipartimenti di biologia e scienze cerebrali e cognitive del MIT, in un comunicato. “I neuroni rappresentano posizioni individuali, ma insieme non formano una mappa. Ma il quinto giorno formano una mappa. Se vuoi una mappa, hai bisogno che tutti questi neuroni lavorino insieme in un insieme coordinato”.
Labirinti di mappatura dei topi
Per condurre lo studio, Guo e Wilson, insieme ai compagni di laboratorio Jie “Jack” Zhang e Jonathan Newman, hanno introdotto i topi in semplici labirinti di forme diverse e hanno lasciato che li esplorassero liberamente per circa mezz'ora al giorno per diversi giorni. È importante sottolineare che ai topi non è stato chiesto di apprendere nulla di specifico attraverso l’offerta di ricompense. Hanno semplicemente vagato. Studi precedenti hanno dimostrato che i topi manifestano naturalmente un “apprendimento latente” degli spazi da questo tipo di esperienza non ricompensata dopo diversi giorni.
Per capire come prende piede l’apprendimento latente, Guo e i suoi colleghi hanno monitorato visivamente centinaia di neuroni nell’area CA1 dell’ippocampo ingegnerizzando le cellule in modo che lampeggiassero quando un accumulo di ioni calcio le rendeva elettricamente attive. Non solo hanno registrato i lampi dei neuroni mentre i topi esploravano attivamente, ma anche mentre dormivano. Il laboratorio di Wilson ha dimostrato che gli animali “rigiocare” i loro viaggi precedenti durante il sonno, essenzialmente affinando i loro ricordi sognando le loro esperienze.
L'analisi delle registrazioni ha mostrato che l'attività delle cellule del luogo si è sviluppata immediatamente ed è rimasta forte e invariata per diversi giorni di esplorazione. Ma questa attività da sola non spiegherebbe come si evolve l’apprendimento latente o una mappa cognitiva nell’arco di diversi giorni. Quindi, a differenza di molti altri studi in cui gli scienziati si concentrano esclusivamente sull’attività forte e chiara delle cellule posizionali, Guo ha esteso la sua analisi all’attività più sottile e misteriosa delle cellule che non erano così fortemente sintonizzate spazialmente.
Usando una tecnica emergente chiamata “apprendimento molteplice”, è stato in grado di discernere che molte delle cellule “debolmente spaziali” correlavano gradualmente la loro attività non con le posizioni, ma con modelli di attività tra altri neuroni nella rete. Mentre ciò accadeva, hanno mostrato le analisi di Guo, la rete codificava una mappa cognitiva del labirinto che somigliava sempre più allo spazio fisico letterale.
“Sebbene non rispondano a posizioni specifiche come le cellule fortemente spaziali, le cellule debolmente spaziali si specializzano nel rispondere a 'posizioni mentali', cioè schemi di attivazione di insieme specifici di altre cellule”, hanno scritto gli autori dello studio. “Se il campo mentale di una cellula debolmente spaziale comprende due sottoinsiemi di cellule fortemente spaziali che codificano posizioni distinte, questa cellula debolmente spaziale può fungere da ponte tra queste posizioni.”
In altre parole, l’attività delle cellule debolmente spaziali probabilmente unisce le singole posizioni rappresentate dalle cellule del luogo in una mappa mentale.
Il bisogno di dormire
Studi condotti dal laboratorio di Wilson e da molti altri hanno dimostrato che i ricordi vengono consolidati, raffinati ed elaborati dall'attività neurale, come la riproduzione, che avviene durante il sonno e il riposo. Il team di Guo e Wilson, quindi, ha cercato di verificare se il sonno fosse necessario per il contributo delle cellule debolmente spaziali all'apprendimento latente delle mappe cognitive.
Per fare questo, hanno lasciato che alcuni topi esplorassero un nuovo labirinto due volte durante lo stesso giorno, con una siesta di tre ore nel mezzo. Ad alcuni topi è stato permesso di dormire, ma ad altri no. Quelli che lo hanno fatto hanno mostrato un miglioramento significativo della loro mappa mentale, ma quelli a cui non è stato permesso di dormire non hanno mostrato alcun miglioramento. Non solo è migliorata la codifica di rete della mappa, ma anche le misurazioni della sintonizzazione delle singole cellule durante il sonno hanno mostrato che il sonno ha aiutato le cellule a diventare più in sintonia sia con i luoghi che con i modelli di attività della rete, i cosiddetti “luoghi mentali” o “campi”. “
Significato della mappa mentale
Le “mappe cognitive” codificate dai topi nell’arco di diversi giorni non erano mappe letterali e precise dei labirinti, osserva Guo. Invece, erano più simili a schemi. Il loro valore è che forniscono al cervello una topologia che può essere esplorata mentalmente, senza dover trovarsi nello spazio fisico. Ad esempio, una volta che hai formato la tua mappa cognitiva del quartiere intorno al tuo hotel, puoi pianificare l'escursione del mattino successivo (ad esempio, potresti immaginare di prendere un croissant nella panetteria che hai osservato pochi isolati a ovest e poi immaginare di mangiarlo su uno di quelle panchine che hai notato nel parco lungo il fiume).
In effetti, Wilson ha ipotizzato che l'attività delle cellule debolmente spaziali potrebbe sovrapporre informazioni non spaziali salienti che apportano ulteriore significato alle mappe (ad esempio, l'idea di una panetteria non è spaziale, anche se è strettamente collegata a una posizione specifica). Lo studio, tuttavia, non ha incluso punti di riferimento all’interno dei labirinti e non ha testato alcun comportamento specifico tra i topi.
Ma ora che lo studio ha identificato che le cellule debolmente spaziali contribuiscono in modo significativo alla mappatura, Wilson ha affermato che gli studi futuri potranno indagare sul tipo di informazioni che potrebbero incorporare nella percezione che gli animali hanno del loro ambiente. Sembra che intuitivamente consideriamo gli spazi che abitiamo come qualcosa di più che semplici insiemi di luoghi discreti.
“In questo studio, ci siamo concentrati sugli animali che si comportano in modo naturale e abbiamo dimostrato che durante il comportamento esplorativo libero e il successivo sonno, in assenza di rinforzo, si verificano ancora cambiamenti sostanziali della plastica neurale a livello di insieme”, concludono gli autori. “Questa forma di apprendimento implicito e non supervisionato costituisce un aspetto cruciale dell’apprendimento e dell’intelligenza umana, garantendo ulteriori indagini approfondite”.
La Freedom Together Foundation, il Picower Institute for Learning and Memory e il National Institutes of Health hanno finanziato lo studio.
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