Secondo uno studio condotto da ricercatori dell’UT Southwestern Medical Center, le strutture ramificate chiamate dendriti, che si estendono dai neuroni, sembrano svolgere calcoli propri indipendentemente dal corpo cellulare. Con questa funzione sembrano aiutare le singole cellule cerebrali a immagazzinare i ricordi del passato, a rispondere al presente e ad anticipare il futuro.
I risultati di questa ricerca, pubblicati sulla rivista Science, rappresentano un cambio di paradigma negli attuali modelli di apprendimento e memoria.
“Questo cambia completamente la nostra prospettiva. Invece di agire come semplici interruttori, i neuroni si comportano più come processori sofisticati con una divisione interna del lavoro, aumentando drasticamente la capacità computazionale del cervello”, ha affermato Attila Losonczy, Professore presso il Peter O’Donnell Jr. Brain Institute e di Neuroscienze e Direttore del Program in Memory Longevity (PML) dell’UT Southwestern.
I dendriti: collettori e dispersori passivi?
Più di un secolo fa, gli scienziati scoprirono che i neuroni possiedono due tipi di strutture anatomiche che si estendono dal corpo cellulare: i dendriti – il cui nome deriva dalla parola greca per albero, dendron – e gli assoni, le parti filamentose dei neuroni che conducono gli impulsi elettrici ad altre cellule.
Fino a poco tempo fa, si riteneva che i dendriti fossero principalmente collettori e dispersori passivi delle informazioni elettriche elaborate nel corpo cellulare. Si pensa che l’apprendimento e la memoria avvengano attraverso il rafforzamento delle connessioni chiamate sinapsi, che si trovano quasi esclusivamente sui dendriti e consentono ai segnali elettrici di passare più liberamente tra i neuroni.
Per decenni, i neuroscienziati hanno ipotizzato che i dendriti possano elaborare le informazioni elettriche in modo indipendente, e gli studi condotti nell’ultimo decennio utilizzando neuroni in piastre di Petri hanno rafforzato questa idea.
Tuttavia, mancavano prove dirette. Se ciò fosse vero negli animali vivi, ha spiegato il dottor Losonczy, potrebbe significare che i dendriti svolgono un ruolo attivo nel plasmare l’apprendimento sinaptico e la formazione della memoria, fungendo da minicomputer individuali che influenzano l’attività nel corpo cellulare.
Visualizzare gli impulsi elettrici nelle strutture biologiche
Per verificare questa ipotesi, i dottori Losonczy, Noguchi e Terada, insieme ai loro colleghi, hanno utilizzato una tecnologia di recente sviluppo in grado di visualizzare gli impulsi elettrici nelle strutture biologiche con una risoluzione ben inferiore al micrometro, circa 1/70 della larghezza di un capello umano.
Questo progresso ha permesso ai ricercatori di osservare l’attività elettrica nei dendriti di topi vivi mentre svolgevano compiti di apprendimento e memoria.
Il team ha visualizzato questa attività elettrica nelle cellule di posizione – neuroni nell’ippocampo del cervello che svolgono un ruolo importante nella memoria spaziale e nella navigazione – mentre i topi si muovevano in spazi di realtà virtuale (VR) alla ricerca di gocce d’acqua come ricompensa.
Negli spazi che i topi avevano già familiarizzato, gli scienziati hanno scoperto che l’attività elettrica nei dendriti corrispondeva generalmente a quella dei corpi cellulari.
Quando i ricercatori hanno spostato la ricompensa in una nuova posizione, i corpi cellulari hanno rapidamente adattato la loro attività, ma alcuni dendriti sembravano conservare la memoria precedente, continuando a mostrare gli stessi schemi di impulsi elettrici.
Dopo che i ricercatori hanno fatto esplorare ai topi un nuovo spazio in realtà virtuale, alcuni dendriti hanno modificato la loro attività prima del corpo cellulare, anticipando il nuovo schema di impulsi elettrici che il corpo cellulare avrebbe poi adottato dopo aver esplorato ripetutamente il nuovo spazio. Questo contrasto è una scoperta sorprendente e inaspettata: cambiare solo la posizione della ricompensa ha fatto sì che i dendriti rimanessero indietro rispetto al corpo cellulare, mentre cambiare l’ambiente ha fatto sì che i dendriti lo anticipassero, suggerendo che i due tipi di cambiamento coinvolgono l’elaborazione dendritica in modi fondamentalmente diversi.
Collegare le dinamiche dendritiche alla capacità di apprendimento
Quando i topi si riposavano dopo ogni compito, il team ha scoperto che i loro dendriti riproducevano gli stessi schemi di attività elettrica rilevati durante la navigazione. Poiché una riproduzione simile nei corpi cellulari è stata collegata al consolidamento della memoria, questa scoperta suggerisce che i dendriti svolgano un ruolo chiave anche nel consolidamento, ha affermato il Dott. Losonczy.
Nel complesso, ha spiegato, questi risultati suggeriscono che i dendriti siano partecipanti attivi nei processi di apprendimento e memoria, piuttosto che strutture passive. I ricercatori intendono continuare a studiare i dendriti per comprendere meglio come comunicano con il corpo cellulare e se la loro attività elettrica possa alterarsi in presenza di disturbi neuroevolutivi e neuropsicologici. A breve termine, stanno verificando se i neuroni in una regione dell’ippocampo con diversi modelli di input sinaptico mostrino una dissociazione simile e stanno anche sviluppando modelli computazionali, per collegare le dinamiche dendritiche alla capacità di apprendimento e memoria a livello di circuito.
