Gli scienziati di Stanford scoprono sorprendenti funzioni di cervelletto

Life Sciences Database/Wikimedia Commons
Cervelletto (in latino per "piccolo cervello") in rosso.
Fonte: database delle scienze della vita / Wikimedia Commons

In una scoperta fortuita, i neuroscienziati dell'Università di Stanford hanno recentemente inciampato in funzioni cognitive del cervelletto precedentemente sconosciute. In una serie di esperimenti di topi complessi che utilizzano la tecnologia di imaging cerebrale di ultima generazione, i ricercatori di Stanford hanno scoperto che specifici neuroni (cellule granulari) all'interno del cervelletto apprendono e rispondono a ricompense anticipate o alla loro mancanza.

Il nuovo studio dello Stanford Neuroscience Institute, "Cerebellar Granule Cells Encode the Expectation of Reward", è stato pubblicato il 20 marzo in anticipo rispetto alla stampa sulla rivista Nature . ( Cerebellar è la parola sorella per cerebrale e significa "relativo o localizzato nel cervelletto").

Nel 1504, Leonardo da Vinci fece dei getti di cera del cervello umano e coniarse il termine "cervelletto" (in latino per "piccolo cervello") dopo aver identificato due piccoli emisferi cerebrali sistemati ordinatamente sotto i relativamente emisferi emisferi sinistro-destro del "cervello" ( Latino per "cervello").

Life Sciences Database/Wikimedia Commons
Cerebrum (in latino per "cervello") in rosso.
Fonte: database delle scienze della vita / Wikimedia Commons

Per secoli, i neuroscienziati consideravano il cervelletto la sede di attività "non pensanti" come coordinare e mettere a punto i movimenti muscolari.

Fino a poco tempo fa, entrambi gli emisferi delle regioni cerebrali e corticali nel "cappuccio pensante" della corteccia cerebrale – erano considerati l'unico dominio dei processi cognitivi. Questo sta iniziando a cambiare. Negli ultimi anni, una vasta gamma di studi ha iniziato a mostrare (per la prima volta) che il cervelletto svolge un ruolo misterioso ma significativo in molte funzioni cognitive del cervello.

Ad esempio, nel febbraio 2017, un team internazionale di ricercatori ha riferito che il cervelletto può svolgere un ruolo precedentemente imprevisto nelle alterazioni del cervello associate al consumo di droghe che causa dipendenza.

Queste relazioni che collegavano il cervelletto e la tossicodipendenza si basavano su un'ampia gamma di ricerche pionieristiche pubblicate negli ultimi due anni. Questi risultati cerebellari sono stati compilati e presentati in due diverse riviste: Neuroscience e Biobehavioral Reviews e Journal of Neuroscience .

Nel descrivere l'obiettivo della prima recensione, "Stiamo ignorando l'elefante nella stanza? Sette argomenti per considerare il cervelletto come parte del circuito della dipendenza, "gli scienziati, guidati da Marta Miquel Salgado-Araujo dell'UJI in Spagna, descrivono la loro missione affermando:" Il nostro obiettivo non è quello di esaminare esaurientemente gli studi sugli animali e sull'uomo, ma di sostenere l'inclusione di alterazioni cerebellari come parte della fisiopatologia del disturbo da dipendenza. "

Nuove tecnologie e scoperte accidentali in attesa di successo: le celle di granulo di Cerebellar svolgono un ruolo cognitivo nell'elaborazione dei premi

Courtesy of Mark Wagner
I ricercatori di Stanford hanno identificato un ruolo cognitivo precedentemente sconosciuto delle cellule dei granuli del cervelletto (in verde).
Fonte: per gentile concessione di Mark Wagner

Il rapporto di marzo 2017 di Stanford sul legame tra il cervelletto e la codifica dell'aspettativa di ricompensa si integra con la suddetta ricerca sul cervelletto che fa parte del circuito della dipendenza. La nuova ricerca di Stanford migliora anche la nostra comprensione del misterioso potere neuronale contenuto nei 60 miliardi di cellule di granuli del nostro cervello. ( Sebbene il cervelletto sia solo il 10 percento del volume del cervello, ospita fino all'80 percento dei neuroni totali del cervello, la maggior parte dei quali sono cellule di granuli ) .

Uno degli aspetti più degni di nota del nuovo studio di Stanford è che i ricercatori si sono imbattuti casualmente nella loro scoperta potenzialmente sconvolgente che le cellule granulari imparano e rispondono ai premi previsti. In un certo senso, il fatto che i ricercatori non abbiano progettato un esperimento con l'intento di dimostrare un'ipotesi aggiunge un ulteriore livello di credibilità a questa scoperta di prim'ordine.

Mark Wagner, un postdoctoral fellow di Stanford ha condotto questa ricerca con Tony Kim, uno studente laureato nel laboratorio di Mark Schnitzer, professore associato di biologia e fisica applicata.

Schnitzer ha un talento per lo sviluppo di metodi unici per la registrazione dell'attività cerebrale in mosche della frutta, topi e altri animali viventi. Un metodo proprietario recentemente sviluppato da Schnitzer, chiamato " imaging di calcio a due fotoni ", offriva la risoluzione finita che Wagner aveva bisogno di studiare cellule di granuli microscopici mentre i topi erano in movimento.

Poiché le cellule dei granuli sono impacchettate così densamente all'interno del cervelletto, le tecniche convenzionali per registrare l'attività delle cellule dei granuli non funzionano molto bene, il che ha lasciato ai neuroscienziati un'immagine incompleta di ciò che il cervelletto sta effettivamente facendo, fino ad ora.

Courtesy of Larry Vandervert
Questi conteggi di neuroni del cervelletto e della corteccia cerebrale sono basati su studi di Lent, R., et al., 2012.
Fonte: per gentile concessione di Larry Vandervert

Il mio defunto padre, Richard Bergland, era un neuroscienziato del 20 ° secolo, neurochirurgo e autore di The Fabric of Mind (Viking). Era affascinato dalla distribuzione sproporzionata dei neuroni nel cervelletto. Detto questo, mio ​​padre è diventato frustrato dai limiti tecnologici della sua generazione che gli hanno impedito di provare empiricamente le sue "ipotesi plausibili" su ciò che il cervelletto stava facendo nel suo laboratorio.

Come un disco rotto, avrebbe detto: " Non sappiamo esattamente cosa stia facendo il cervelletto. Ma qualunque cosa stia facendo, ne sta facendo un sacco. "Se mio padre fosse vivo oggi, so che sarebbe al settimo cielo per vedere che la rivoluzionaria tecnica di imaging del calcio a due fotoni sviluppata da Schnitzer sta finalmente permettendo ai neuroscienziati di Stanford di vedere l'attività delle cellule dei granuli in tempo reale.

Quando Wagner iniziò la sua ricerca usando l'imaging del calcio a due fotoni, era semplicemente interessato a monitorare e registrare le cellule dei granuli in tempo reale come parte delle funzioni di controllo motorio di base del cervelletto.

Per studiare il controllo motorio, Wagner e il suo team avevano bisogno di motivare i loro topi di laboratorio a muoversi in primo luogo. Quindi, hanno condizionato un comportamento di ricerca della ricompensa che stava ricevendo una dose di acqua zuccherata dopo aver premuto una leva del distributore. Mentre il mouse spingeva la leva e riceveva una ricompensa, Wagner e il suo team registrarono l'attività delle cellule dei granuli nel cervelletto di ogni topo.

Wagner si aspettava solo di scoprire che l'attività delle cellule dei granuli era legata alla pianificazione e all'esecuzione dei movimenti fisici. Ma in un Eureka! momento, Wagner osservò che solo alcune cellule di granuli sparavano quando il mouse spingeva la leva per una ricompensa. Sorprendentemente, altre cellule di granuli hanno sparato quando un topo stava aspettando la sua ricompensa zuccherata. E ancora un altro sottogruppo di cellule di granuli sparò quando Wagner portò via con sordina le anticipate ricompense di Pavlov. Gli scienziati scrivono nell'abstract della natura del loro studio:

"Monitorare le stesse cellule di granuli per diversi giorni di apprendimento ha rivelato che le cellule con risposte anticipatrici di ricompensa sono emerse da quelle che hanno risposto all'inizio dell'apprendimento per premiare il parto, mentre le risposte omissione-ricompensa sono cresciute man mano che l'apprendimento progrediva. La scoperta della codifica predittiva, non sensomotoria nelle cellule di granuli è un importante punto di partenza dall'attuale comprensione di questi neuroni e arricchisce notevolmente le informazioni contestuali disponibili per le cellule di Purkinje postsinaptiche, con importanti implicazioni per l'elaborazione cognitiva nel cervelletto. "

In una dichiarazione a Stanford, il co-autore Liquin Luo ha detto, "In realtà è stata un'osservazione secondaria, che, wow, in realtà rispondono alla ricompensa." Wagner ha aggiunto, "semplicemente non lo sapevamo", perché storicamente l'ipotesi era che le celle di granuli svolgono solo le funzioni motorie più elementari e nessuno ha gli strumenti per osservare da vicino le cellule dei granuli in azione.

Andando avanti, Wagner ei suoi colleghi a Stanford sono ottimisti sul fatto che questa scoperta potrebbe portare a qualcosa di molto più grande. In conclusione, ha detto Wagner,

"Considerata la grande frazione di neuroni che si trovano nel cervelletto, sono stati fatti relativamente pochi progressi nell'integrazione del cervelletto nell'immagine più ampia di come il cervello sta risolvendo i compiti, e gran parte di questa disconnessione è stata questa assunzione che il cervelletto può essere coinvolti solo in compiti motori. Spero che questo ci consenta di unificarlo con studi su regioni del cervello più popolari come la corteccia cerebrale, e possiamo metterli insieme ".

Restate sintonizzati per ulteriori ricerche all'avanguardia sulle cellule di granuli e sul cervelletto. Nel frattempo, se desideri leggere i miei post precedenti sul blog di Psychology Today sul cervelletto, fai clic su questo link.

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