Lo studio della realtà virtuale sui topi fornisce nuovi indizi sulla memoria

Un nuovo metodo di ricerca che incorpora la realtà virtuale e l'imaging del cervello viene utilizzato per apprendere come il cervello forma i ricordi a breve termine utilizzati nel processo decisionale.

I ricercatori della Princeton University hanno studiato i ratti mentre negoziavano un labirinto virtuale. Seguendo l'attività cerebrale dei topi, hanno scoperto modelli sequenziali di attività neuronale quando il cervello conserva una memoria.

La ricerca precedente era incentrata sull'idea che popolazioni di neuroni si attivassero insieme con schemi simili tra loro durante il periodo di memoria.

I risultati illuminano ciò che accade nel cervello durante la "memoria di lavoro", quando la mente immagazzina le informazioni per brevi periodi di tempo prima di agire su di essa o integrarla con altre informazioni.

La memoria di lavoro è una componente centrale del ragionamento, della comprensione e dell'apprendimento. Si ritiene che alcuni disturbi cerebrali come la schizofrenia implichino deficit nella memoria di lavoro.

“Studi come questo mirano a comprendere i principi di base dell'attività neurale durante la memoria di lavoro nel cervello normale. Tuttavia, il lavoro potrebbe in futuro aiutare i ricercatori a comprendere come l'attività potrebbe essere alterata nei disturbi cerebrali che comportano deficit nella memoria di lavoro ", ha affermato il ricercatore David Tank, Ph.D.

Nello studio, i modelli di attivazione neuronale sequenziale corrispondevano al fatto che il topo girasse a sinistra oa destra mentre navigava in un labirinto in cerca di una ricompensa. Diversi modelli corrispondevano a diverse decisioni prese dai topi, hanno scoperto i ricercatori di Princeton.

I modelli di attivazione neuronale sequenziale hanno coperto il periodo di circa 10 secondi che sono stati necessari al mouse per formare un ricordo, memorizzarlo e prendere una decisione su quale direzione girare. Durante questo periodo, sono stati osservati sottoinsiemi distinti di neuroni attivarsi in sequenza.

I ricercatori affermano che i risultati contrastano con molti modelli esistenti di come il cervello immagazzina i ricordi e prende le decisioni.

L'unicità delle sequenze di svolta a sinistra e svolta a destra significava che gli esperimenti di imaging del cervello essenzialmente consentivano ai ricercatori di eseguire una semplice forma di "lettura della mente". Immaginando ed esaminando l'attività cerebrale nelle prime fasi della corsa del topo nel labirinto, i ricercatori hanno potuto identificare la sequenza di attività neurale prodotta e poter prevedere in modo affidabile in che direzione il topo avrebbe girato diversi secondi prima che la svolta avesse effettivamente inizio.

Le sequenze di attività neurale scoperte nel nuovo studio si svolgono in una parte del cervello chiamata corteccia parietale posteriore. Precedenti studi su scimmie e esseri umani indicano che la corteccia parietale posteriore è una parte del cervello che è importante per la pianificazione del movimento, l'attenzione spaziale e il processo decisionale.

Il nuovo studio è il primo ad analizzarlo nel topo. "Ci auguriamo che utilizzando il topo come nostro sistema modello saremo in grado di utilizzare potenti approcci genetici per comprendere i meccanismi di processi cognitivi complessi", ha detto il coautore Christopher Harvey, Ph.D.

Un aspetto unico di questo studio è stato l'uso della realtà virtuale per creare un labirinto, piuttosto che un labirinto fisico tradizionale. Questo approccio è stato sviluppato nel laboratorio Tank negli ultimi anni.

I topi camminavano e correvano sulla superficie di un tapis roulant sferico mentre la loro testa rimaneva ferma nello spazio, che è l'ideale per l'imaging cerebrale. Le visualizzazioni generate dal computer di ambienti virtuali sono state proiettate su uno schermo grandangolare che circonda il tapis roulant. Il movimento della sfera prodotto dal mouse che cammina e si gira è stato rilevato da sensori ottici sull'equatore della palla e utilizzato per modificare la visualizzazione visiva per simulare il movimento attraverso un ambiente virtuale.

Per visualizzare il cervello, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio ottico che utilizzava la luce laser a infrarossi per guardare in profondità sotto la superficie al fine di visualizzare una popolazione di neuroni e registrare il loro fuoco.

Il sistema di realtà virtuale, combinato con il sistema di imaging e un sensore di calcio, ha permesso ai ricercatori di vedere popolazioni di singoli neuroni attivarsi nel cervello funzionante. "È come se stessimo aprendo un computer e esaminando tutti i segnali per capire come funziona", ha detto Tank.

I ricercatori ammettono che gli studi su popolazioni di singoli neuroni, chiamate misurazioni della risoluzione cellulare, sono impegnativi perché il cervello contiene miliardi di neuroni strettamente raggruppati.

La strumentazione sviluppata dal Tank lab è una delle poche in grado di registrare l'attivazione di gruppi di singoli neuroni nel cervello quando un soggetto è sveglio. La maggior parte degli studi sulla funzione cerebrale negli esseri umani comporta lo studio dell'attività in intere regioni del cervello utilizzando uno strumento come la risonanza magnetica (MRI) che media insieme l'attività di molte migliaia di neuroni.

"I dati rivelano abbastanza chiaramente che almeno una qualche forma di memoria a breve termine si basa su una sequenza di neuroni che trasmettono le informazioni dall'una all'altra, una sorta di 'brigata del secchio neuronale'", ha detto Christof Koch, un neuroscienziato che era non coinvolti nello studio.

Lo studio è stato pubblicato online sulla rivista Natura.

Fonte: Princeton University