Gli scienziati del MIT identificano i circuiti cerebrali della formazione della memoria

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Modello schematico che mostra come la memoria si consolida nella corteccia prefrontale e come i circuiti attraverso l'amigdala si spostano quando le cellule engramiche dell'ippocampo diventano silenziose e gli engram corticali diventano attivi.
Fonte: per gentile concessione di RIKEN

Un nuovo studio sui topi del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha identificato un nuovo modello schematico e una linea temporale che illustra come i ricordi si consolidano nella corteccia prefrontale (PFC) dopo essere stati trasmessi da una parte del cervello a un'altra per la conservazione a lungo termine .

Questo rapporto, "Engrams and Circuits cruciale per il consolidamento dei sistemi di una memoria", è stato pubblicato online prima del 6 aprile sulla rivista Science . Susumu Tonegawa, direttore del RIKEN-MIT Brain Science Institute e Center for Neural Circuit Genetics (CNCG) è stato autore principale di questo studio. Questi risultati sfidano modelli storici di formazione della memoria a lungo termine e possono portare a revisioni di alcuni modelli di consolidamento della memoria dominante, secondo i ricercatori del MIT.

Altri contributi a questo studio pionieristico includono l'autore principale Takashi Kitamura, i postdoc Sachie Ogawa, Teruhiro Okuyama e Mark Morrissey; insieme al dottorando Dheeraj Roy, al tecnico Lillian Smith e all'ex postdoc Roger Redondo.

Corteccia prefrontale umana (PFC) in rosso.
Fonte: database delle scienze della vita / Wikimedia Commons

Il nuovo studio del MIT di Kitamura et al. rivela, per la prima volta, che i ricordi sono inizialmente formati simultaneamente nell'ippocampo e nei neuroni specializzati nella corteccia prefrontale chiamati "cellule engram" che consolidano nel tempo le memorie a lungo termine. In una dichiarazione al MIT News, Tonegawa ha detto: "Questo e altri risultati in questo documento forniscono un meccanismo circuitale completo per il consolidamento della memoria".

Per determinare quali aree specifiche della corteccia cerebrale fossero importanti per formare una memoria a lungo termine, i ricercatori hanno bloccato gli input a diverse aree del cervello durante il condizionamento e il ricordo della memoria per un periodo di 3 settimane. Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che i ricordi a lungo termine rimangono "silenziosi" nella corteccia prefrontale per circa due settimane prima di maturare e consolidarsi in ricordi permanenti a lungo termine.

L'autore principale Takashi Kitamura ha dichiarato in una dichiarazione: "Abbiamo scoperto l'esistenza di cellule di engram corticale, ma si scopre che non si formano gradualmente nel tempo. In realtà si formano allo stesso tempo della memoria iniziale nell'ippocampo. "Morrissey ha aggiunto:" Si formano in parallelo, ma da lì seguono strade diverse. La corteccia prefrontale diventa più forte e l'ippocampo diventa più debole ".

La corteccia prefrontale, l'ippocampo e l'amigdala lavorano di concerto per consolidare i ricordi a lungo termine in un arco di tempo di 12 giorni

Courtesy of Takashi Kitamura, Tonegawa lab
Uno studio del MIT sui circuiti neurali che sono alla base del processo di memoria rivela, per la prima volta, che i ricordi si formano simultaneamente nell'ippocampo e nella posizione di conservazione a lungo termine nella corteccia cerebrale. Questa immagine mostra celle di engram di memoria (verde e rosso) che sono cruciali per l'archiviazione permanente della memoria nella corteccia prefrontale.
Fonte: per gentile concessione di Takashi Kitamura, laboratorio Tonegawa

Questo studio illustra come connettività funzionale con altre regioni del cervello consente alle cellule di engram corticale di maturare e diventare memorie permanenti a lungo termine nei neuroni PFC nel corso di circa 12 giorni. Nello specifico, i ricercatori hanno etichettato le cellule di memoria in tre parti del cervello: la corteccia prefrontale , l' ippocampo (HPC) e l' amigdala basolaterale (BLA). In particolare, hanno scoperto che BLA memorizza sia le associazioni emotive positive che quelle negative in una memoria in combinazione con PFC e HPC.

I risultati suggeriscono che le teorie tradizionali sul consolidamento della memoria a lungo termine possono essere solo parzialmente accurate. I ricordi sembrano essere formati rapidamente e simultaneamente sia nella corteccia prefrontale che nell'ippocampo nel giorno in cui viene creata una memoria iniziale. Quindi, la memoria viene consolidata nel PFC nel tempo.

Storicamente, l'ippocampo è stato considerato dalla maggior parte degli esperti il ​​"mozzo della memoria" e la corteccia prefrontale era considerata sede di "funzioni esecutive" come pianificazione, regolazione emotiva, controllo degli impulsi, flessibilità cognitiva, ecc. Questi nuovi risultati sfidano le tradizionali punti di vista sul ruolo che l'ippocampo e la corteccia cerebrale svolgono nel consolidamento della memoria.

Kitamura e colleghi hanno anche scoperto che le cellule engram collegate a eventi emotivi sia positivi che negativi erano codificate nell'amigdala, che è collegata all'ippocampo e alla corteccia prefrontale come parte di una rete neurale. Le ultime scoperte del MIT possono sfatare un altro mito popolare secondo cui l'amigdala è il "centro della paura" del cervello.

È interessante notare che, una volta formato un ricordo nelle cellule engram dell'amigdala basolaterale, è rimasto invariato nel corso dell'esperimento. Le celle di memoria engram nell'amigdala appaiono necessarie per la comunicazione di uno spettro di emozioni legate a una particolare memoria. L'amigdala agisce come un tipo di stazione di ritrasmissione emotiva tra l'ippocampo e la corteccia prefrontale.

Progressi tecnologici nell'avanzamento del laboratorio MIT di Tonegawa La nostra comprensione delle celle engram e dei circuiti cerebrali necessari per la formazione della memoria

Nel 2012, il laboratorio di Tonegawa ha sviluppato un'innovazione tecnologica che ha permesso loro di etichettare specifiche cellule engram in varie parti del cervello che contenevano memorie specifiche. Ciò ha permesso ai ricercatori di tracciare i circuiti cerebrali coinvolti nella formazione, memorizzazione e recupero della memoria. Usando optogenetics allo stato dell'arte, il team di Tonegawa è stato quindi in grado di accendere e spegnere le cellule bersaglio usando raffiche di luce. Girando queste cellule "su" i ricordi riattivati ​​artificialmente contenuti in specifiche cellule engram.

Per il loro ultimo studio, i ricercatori del MIT hanno etichettato le cellule di memoria nei topi durante un evento di condizionamento della paura, che è stato un leggero shock elettrico fornito quando il topo si trova in una particolare camera. L'optogenetica ha permesso loro di osservare il successivo comportamento condizionato dalla paura del congelamento in atto quando cellule engram specifiche sono state riattivate. Queste scoperte sono state anche confermate rimettendo i topi nella camera originale dove prima erano stati rilasciati gli shock del piede per osservare un naturale richiamo della memoria basata sulla paura.

Sono necessarie ulteriori ricerche per determinare se i ricordi svaniscono completamente dalle cellule dell'ippocampo o se rimangono tracce nelle cellule engramiche dell'ippocampo. Attualmente, i ricercatori nel laboratorio di Tonegawa possono monitorare solo le cellule engram per alcune settimane. Ma stanno lavorando su progressi nella loro tecnologia che permetterà loro di monitorare queste cellule per periodi più lunghi.

Kitamura ha la sensazione che qualche traccia di una memoria rimanga nell'ippocampo indefinitamente e che i dettagli vengano recuperati e aggiornati occasionalmente se viene attivata una memoria. "Per discriminare due episodi simili, questo engram silenzioso può riattivarsi e le persone possono recuperare la memoria episodica dettagliata, anche in punti temporali molto remoti", ha detto Kitamura.

Andando avanti, i ricercatori del MIT intendono anche studiare come evolve il processo di maturazione di un engram di memoria nella corteccia prefrontale. Restate sintonizzati per le ricerche di follow-up dal laboratorio di Tonegawa e da altri che ci aiuteranno a capire meglio come le cellule engram ei complessi circuiti neurali lavorano insieme per consolidare i ricordi.

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