Decifrare la Mente: Il Ruolo Segreto delle Cellule Cerebrali delle Scimmie nell’Apprendimento della Memoria di Lavoro

Avete mai pensato a cosa succede esattamente nel vostro cervello quando imparate qualcosa di nuovo, tipo ricordare un numero di telefono o la lista della spesa? Io sì, e vi assicuro che è un viaggio pazzesco nel mondo della memoria di lavoro! Oggi voglio portarvi con me in un’avventura scientifica che ho vissuto, esplorando come diverse “squadre” di cellule nervose nella corteccia prefrontale (PFC) – la nostra centrale di comando cerebrale – si specializzano dopo aver imparato un compito che mette alla prova proprio questa memoria. Tenetevi forte, perché stiamo per sbirciare nel cervello di alcune scimmie molto intelligenti!

La corteccia prefrontale è un po’ il CEO del nostro cervello, fondamentale per funzioni cognitive superiori come prendere decisioni, pianificare e, appunto, la memoria di lavoro. Quest’ultima è quella capacità pazzesca che ci permette di tenere a mente e manipolare informazioni per un breve periodo. Ma come fa esattamente la PFC a gestire tutto questo? E soprattutto, tutte le cellule nervose (i neuroni) lì dentro fanno lo stesso lavoro, o c’è una sorta di specializzazione che emerge con l’apprendimento? Questa è la domanda che mi (e ci) ha tormentato.

Prima dell’Apprendimento: Uno Sguardo Passivo

Per capirci qualcosa, abbiamo iniziato osservando l’attività dei neuroni nella PFC di scimmie che non avevano mai affrontato compiti di laboratorio. In questa fase, che abbiamo chiamato “pre-addestramento”, le scimmie dovevano semplicemente guardare passivamente degli stimoli visivi che apparivano su uno schermo. Potevano essere dei quadratini bianchi in diverse posizioni (per testare la memoria spaziale) o diverse forme geometriche (per la memoria delle caratteristiche). L’idea era registrare una sorta di “linea di base” dell’attività cerebrale prima che iniziassero a imparare le regole del gioco.

Identikit dei Neuroni: Chi Fa Cosa?

Prima di vedere come l’apprendimento cambia le carte in tavola, dovevamo capire con chi avevamo a che fare. Immaginate di analizzare la “voce” elettrica di ogni neurone – la forma del suo impulso, tecnicamente chiamato spike waveform. Usando un’analisi statistica piuttosto sofisticata (un modello a mistura Gaussiana, per i più curiosi), siamo riusciti a identificare quattro “famiglie” principali di neuroni, basandoci su tre caratteristiche specifiche di queste “voci”.

• Due classi di neuroni a “spike stretto” (narrow-spiking), che abbiamo chiamato NS1 e NS2. Questi sono generalmente considerati i neuroni “frenanti” (inibitori).
• Due classi di neuroni a “spike largo” (broad-spiking), battezzati BS1 e BS2. Questi, invece, sono i probabili neuroni “acceleratori” (eccitatori), i famosi neuroni piramidali.

Già qui, una prima sorpresa: queste quattro famiglie mostravano caratteristiche diverse fin dall’inizio, come tassi di “fuoco” (firing rates) a riposo differenti e modi diversi di reagire agli stimoli visivi. Era come avere quattro tipi di musicisti in un’orchestra, ognuno con il suo strumento e il suo stile, ancor prima che iniziassero a suonare una melodia complessa.

L’Apprendimento e l’Esecuzione del Compito: Si Fa Sul Serio!

Dopo la fase passiva, le nostre scimmie sono state addestrate a svolgere attivamente i compiti di memoria di lavoro. Ora dovevano ricordare la posizione o la forma del primo stimolo e, dopo un intervallo, confrontarla con un secondo stimolo, indicando se erano uguali o diversi. Un bel lavoraccio per la loro PFC!

Ed è qui che le cose si sono fatte davvero interessanti. Abbiamo confrontato l’attività dei nostri quattro gruppi di neuroni prima e dopo l’addestramento, mentre eseguivano attivamente i compiti.

Memoria Spaziale vs. Memoria delle Caratteristiche: Non Tutti i Compiti Sono Uguali per i Neuroni

Una delle scoperte più affascinanti è stata la differenza di coinvolgimento dei neuroni a seconda del tipo di memoria richiesta.

• Memoria Spaziale (ricordare dove): Quando le scimmie dovevano ricordare la posizione di uno stimolo, abbiamo visto un aumento di attività in tutte e quattro le classi di neuroni! Sembrava che l’intero circuito prefrontale si mobilitasse per questo tipo di informazione. Un vero e proprio lavoro di squadra.
• Memoria delle Caratteristiche (ricordare cosa): Sorprendentemente, quando il compito richiedeva di ricordare la forma di uno stimolo, l’aumento di attività riguardava principalmente solo le classi di neuroni a spike largo (BS1 e BS2). Questo suggerisce che, per questo tipo di informazione, forse la PFC si affida a un circuito più specifico, o che altri circuiti cerebrali giocano un ruolo più preponderante.

I Protagonisti del Cambiamento: Un Focus sui Neuroni “Broad-Spiking”

Andando più a fondo, abbiamo notato dei cambiamenti davvero specifici, soprattutto nei nostri neuroni “maratoneti”, i broad-spiking:

• Il tipo BS1 è emerso come un vero campione dell’apprendimento. Dopo l’addestramento, questi neuroni mostravano un aumento del loro tasso di “fuoco” a riposo, rispondevano in modo più vigoroso agli stimoli visivi e, cosa cruciale, la loro attività durante il periodo in cui la scimmia doveva “tenere a mente” l’informazione (il delay period) era significativamente più alta. Questo accadeva sia per la memoria spaziale che per quella delle caratteristiche. Inoltre, la loro attività era più alta nelle sessioni in cui le scimmie performavano meglio!
• Il tipo BS2, invece, ha mostrato un comportamento quasi opposto ma altrettanto intrigante. Dopo l’addestramento, il suo tasso di “fuoco” a riposo e la sua variabilità si sono ridotti. Potrebbe sembrare un controsenso, ma pensateci: una minore variabilità e un’attività di base più bassa potrebbero significare che questi neuroni diventano più “efficienti”, migliorando la precisione del segnale neurale. Come un musicista che impara a suonare solo le note giuste al momento giusto, eliminando il rumore di fondo. Anche questi neuroni mostravano una ridotta variabilità durante il delay period.

E i Neuroni “Narrow-Spiking”? Anche Loro Hanno la Loro Parte

Non dimentichiamoci dei nostri neuroni “frenanti”, gli NS1 e NS2.

• I neuroni NS1, quelli con gli spike più “stretti” e un’alta attività di base, hanno mostrato un aumento della risposta agli stimoli visivi dopo l’addestramento, ma specificamente nel compito di memoria spaziale. Tuttavia, la loro attività a riposo o durante il mantenimento della memoria non è cambiata molto.
• I neuroni NS2, invece, si sono rivelati più dinamici. Dopo l’addestramento per il compito spaziale, hanno aumentato la loro attività a riposo, la risposta agli stimoli, l’attività durante il mantenimento della memoria e persino la regolarità del loro “fuoco”. E, cosa notevole, la loro attività era più alta quando le scimmie davano le risposte corrette nel compito spaziale. Per il compito basato sulle caratteristiche, invece, non abbiamo visto cambiamenti significativi.

Questi risultati suggeriscono che anche all’interno della categoria dei neuroni inibitori ci sono specializzazioni funzionali che emergono o si rafforzano con l’apprendimento, e che queste specializzazioni possono essere dipendenti dal tipo di compito.

Cosa Ci Dice Tutto Questo? L’Eterogeneità Funzionale della PFC

Quello che emerge da questo studio è un quadro affascinante della eterogeneità funzionale all’interno della corteccia prefrontale. Non è un blocco unico, ma un insieme di circuiti altamente specializzati in cui diversi tipi di neuroni giocano ruoli distinti e complementari. L’apprendimento e l’esecuzione di compiti di memoria di lavoro non solo “accendono” più neuroni, ma rimodellano l’attività di specifiche classi cellulari in modi diversi.

Ad esempio, l’aumento di attività nei neuroni BS1 suggerisce un loro ruolo chiave nel codificare, mantenere e forse recuperare attivamente le informazioni. La riduzione della variabilità nei BS2 potrebbe essere un meccanismo per ottimizzare l’efficienza della codifica neurale, rendendo il segnale più “pulito” e affidabile. L’implicazione degli NS2 nei compiti spaziali, e la loro correlazione con la performance, sottolinea l’importanza dei circuiti inibitori nel modellare finemente l’attività della PFC per compiti cognitivi specifici.

È importante notare che i cambiamenti osservati potrebbero derivare sia dagli effetti a lungo termine dell’addestramento (plasticità neurale) sia dalle diverse esigenze cognitive dell’esecuzione attiva del compito rispetto alla visione passiva (attenzione, mantenimento attivo in memoria, presa di decisione).

Questo tipo di ricerca ci aiuta a capire non solo come funziona la memoria di lavoro, ma anche come il cervello si adatta e impara. Identificare i ruoli specifici di diverse classi di neuroni è come scoprire i diversi strumenti di un’orchestra e capire come contribuiscono alla sinfonia complessiva della cognizione.

Il nostro viaggio nel cervello delle scimmie ci ha mostrato che c’è un’incredibile specializzazione e dinamismo. Ogni tipo di cellula sembra avere il suo “spartito” da suonare, e l’apprendimento aiuta a perfezionare l’intera performance. Certo, c’è ancora tantissimo da scoprire, ma ogni passo avanti ci avvicina a comprendere la meravigliosa complessità della mente, sia essa umana o scimmiesca!

Fonte: Springer