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La rete neurale appena scoperta mette in sincronia i circuiti visivi e motori

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Credito: Pixabay/CC0 di dominio pubblico

Una mosca della frutta cammina su una piccola palla di polistirolo modellata in un tapis roulant 3D galleggiante. La stanza è completamente buia, eppure un elettrodo che registra i neuroni visivi nel cervello della mosca trasmette un misterioso flusso di attività neurale, che sale e scende come un’onda sinusoidale.

Quando Eugenia Chiappe, neuroscienziata presso la Champalimaud Foundation in Portogallo, ha visto per la prima volta questi risultati, ha avuto la sensazione che il suo team avesse fatto una scoperta eccezionale. Stavano registrando dai neuroni visivi, ma la stanza era buia, quindi non c’era alcun segnale visivo che potesse guidare i neuroni in quel modo.

“Ciò significava che l’attività insolita era o un artefatto, il che era improbabile, o proveniva da una fonte non visiva”, ha ricordato Chiappe. “Dopo che la possibilità di interferenza è stata studiata e respinta, ero sicuro: i neuroni stavano seguendo fedelmente i passi dell’animale”.

Pochi anni e molte nuove intuizioni dopo, Chiappe e il suo team presentano ora la loro scoperta sulla rivista scientifica Neurone: una rete neurale bidirezionale che collega le gambe e il sistema visivo per modellare la deambulazione.

“Uno degli aspetti più notevoli della nostra scoperta è che questa rete supporta il camminare su due scale temporali diverse contemporaneamente”, ha affermato Chiappe. “Funziona su una scala temporale veloce per monitorare e correggere ogni passaggio, promuovendo al contempo l’obiettivo comportamentale dell’animale”.

Tracciamento dell'”umore” neurale

“Visione e azione possono sembrare non correlate, ma in realtà sono strettamente associate; basta scegliere un punto sul muro e provare a metterci sopra il dito con gli occhi chiusi”, ha detto Chiappe. “Tuttavia, si sa poco sulla base neurale di questo collegamento”.

In questo studio, il team si è concentrato su un particolare tipo di neurone visivo noto per connettersi alle aree motorie del cervello. “Volevamo identificare i segnali che questi neuroni ricevono e capire se e come partecipano al movimento”, ha spiegato Terufumi Fujiwara, il primo autore dello studio.

Per rispondere a queste domande, Fujiwara ha utilizzato una potente tecnica chiamata registrazione di patch di cellule intere che gli ha permesso di attingere allo “stato d’animo” dei neuroni, che può essere positivo o negativo.

“I neuroni comunicano tra loro utilizzando correnti elettriche che alterano la carica complessiva del neurone ricevente. Quando la carica netta del neurone è più positiva, è più probabile che si attivi e poi trasmetta segnali ad altri neuroni. D’altra parte, se il neurone la carica è più negativa, il neurone è più inibito”, ha spiegato Fujiwara.

Guardando ogni passo

Il team ha monitorato la carica dei neuroni e ha rivelato che era sincronizzata con i passi dell’animale in un modo ottimale per mettere a punto ogni movimento.

“Quando il piede era in aria, il neurone era più positivo, pronto a inviare indicazioni di regolazione alla regione motoria, se necessario. D’altra parte, quando il piede era a terra, rendendo impossibili le regolazioni, la carica era maggiore negativo, inibendo efficacemente il neurone”, ha detto Chiappe.

Mantenere il corso

Quando il team ha analizzato ulteriormente i risultati, ha notato che anche la carica dei neuroni stava cambiando su una scala temporale più lunga. Nello specifico, quando la mosca camminava veloce, la carica diventava sempre più positiva.

“Riteniamo che questa variazione aiuti a mantenere l’obiettivo comportamentale dell’animale”, ha affermato Fujiwara. “Più a lungo la mosca cammina veloce, maggiori sono le possibilità che abbia bisogno di aiuto per mantenere questo piano d’azione. Pertanto, i neuroni diventano sempre più ‘più vigili’ e pronti per essere reclutati per il controllo del movimento”.

Il cervello non è sempre il capo

Sono seguiti molti esperimenti, creando una descrizione più completa della rete e dimostrando il suo coinvolgimento diretto nel camminare. Ma secondo Chiappe, questo studio va anche oltre la rivelazione di un nuovo circuito visivo-motorio, ma fornisce anche una nuova prospettiva sui meccanismi neurali del movimento.

“L’attuale visione di come viene generato il comportamento è molto ‘dall’alto’: il cervello comanda il corpo. Ma i nostri risultati forniscono un chiaro esempio di come i segnali provenienti dal corpo contribuiscano al controllo del movimento. Sebbene le nostre scoperte siano state fatte al volo modello animale, ipotizziamo che meccanismi simili possano esistere in altri organismi. Le rappresentazioni relative alla velocità sono fondamentali durante l’esplorazione, la navigazione e la percezione spaziale, funzioni comuni a molti animali, compreso l’uomo”, ha concluso.


Fornito da Champalimaud Center for the Unknown

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