La tecnologia fa luce sulla memoria

L’optogenetica e l’imaging avanzato hanno aiutato i neuroscienziati a capire come si formano i ricordi e hanno reso possibile manipolarli.

di Joshua Sarinana 14-09-21
Ci sono 86 miliardi di neuroni nel cervello umano, ognuno con migliaia di connessioni, che danno origine a centinaia di trilioni di sinapsi. Le sinapsi, i punti di connessione tra i neuroni, immagazzinano i ricordi. Il numero schiacciante di neuroni e sinapsi nel nostro cervello rende la ricerca della posizione precisa di un ricordo specifico una sfida scientifica formidabile. Capire come si formano i ricordi può in definitiva aiutarci a conoscere meglio noi stessi e a mantenere intatta la nostra acutezza mentale.

La memoria aiuta a modellare le nostre identità e il suo deterioramento può indicare un disturbo del cervello. Il morbo di Alzheimer deruba gli individui dei loro ricordi distruggendo le sinapsi, la dipendenza "dirotta" i centri di apprendimento e memoria del cervello e alcune condizioni di salute mentale, come la depressione, sono associate a disturbi della memoria. In molti modi, la neuroscienza ha rivelato la natura dei ricordi, ma ne ha anche capovolto il significato. I cinque punti seguenti possono contribuire a fare chiarezza su cosa sappiamo e quali domande ancora non hanno risposta. 

Si possono vedere i ricordi nel cervello? 

I neuroscienziati hanno osservato per decenni il profilo di base dei ricordi nel cervello. Tuttavia, solo di recente hanno potuto vedere la rappresentazione fisica duratura di un ricordo, che è chiamato engram di memoria. Un engram è memorizzato all'interno di una rete di neuroni collegati e i neuroni che contengono l'engram possono essere illuminati modo da essere visibili attraverso speciali microscopi. Oggi i neuroscienziati possono manipolare gli engram della memoria attivando artificialmente le loro reti sottostanti e inserendo nuove informazioni. 

Queste tecniche stanno anche facendo luce su come funzionano i diversi tipi di memoria e dove ciascuno è registrato nel cervello. La memoria autobiografica episodica si occupa di cosa è successo, del dove e del quando. Si basa sull'ippocampo, una struttura a forma di cavalluccio marino. Le memorie procedurali, supportate dai gangli della base, ci permettono di ricordare come mettere in atto comportamenti abituali come andare in bicicletta. Questa regione funziona male in chi soffre di qualche forma di dipendenza. La nostra capacità di ricordare i fatti, come le capitali degli stati, è attivata dalla memoria semantica, che è immagazzinata nella corteccia.

Quali strumenti ci permettono di vedere i ricordi?

Alla fine del XIX secolo, i microscopi da tavolo hanno permesso di identificare i singoli neuroni, consentendo agli scienziati di disegnare rappresentazioni incredibilmente dettagliate del cervello. Entro la metà del XX secolo, potenti microscopi elettronici sono stati in grado di mostrare strutture sinaptiche larghe solo decine di nanometri (circa la larghezza di una particella virale). All'inizio del XXI secolo, i neuroscienziati hanno utilizzato microscopi a due fotoni per osservare la formazione delle sinapsi in tempo reale in esperimenti sui topi.

Incredibili progressi nella genetica hanno anche permesso di spostare geni all'interno e all'esterno del cervello per collegarli alla funzione di memoria. Gli scienziati hanno utilizzato i virus per inserire una proteina fluorescente verde presente nelle meduse nel cervello dei topi, facendo sì che i neuroni si accendano durante l'apprendimento. Hanno anche usato una proteina delle alghe chiamata channelrhodopsin (ChR2) per attivare artificialmente i neuroni. 

La proteina è sensibile alla luce blu quindi, quando viene inserita nei neuroni, i neuroni possono essere attivati e disattivati con un laser blu, una tecnica nota come optogenetica. Con questa tecnologia, sperimentata dai ricercatori di Stanford quasi due decenni fa, i neuroscienziati possono attivare artificialmente le cellule engram della memoria negli animali da laboratorio.

Nuove tecniche consentono anche di studiare come gli impulsi nervosi traducono le informazioni esterne nei nostri mondi interiori. Per osservare questo processo nel cervello, i neuroscienziati usano minuscoli elettrodi per registrare gli impulsi, che durano solo pochi millisecondi. Strumenti analitici come gli algoritmi di decodifica neurale possono quindi eliminare il rumore per rivelare schemi che indicano un centro di memoria nel cervello. I kit di software open source consentono a più laboratori di neuroscienze di condurre tale ricerca.

Cosa ci dicono questi strumenti su come vengono creati e archiviati i ricordi?

Il modo in cui i neuroni diventano parte di un engram di memoria è rimasto un mistero fino a poco tempo fa. Quando i neuroscienziati hanno guardato più da vicino, sono rimasti sorpresi nel vedere che i neuroni competono tra loro per immagazzinare i ricordi. Inserendo geni nel cervello per aumentare o diminuire l'eccitabilità dei neuroni, i ricercatori hanno appreso che i neuroni più eccitati nell'area diventeranno parte dell'engram. Questi neuroni inibiranno attivamente anche i loro vicini dal diventare parte di un altro engram per un breve periodo di tempo. Questa competizione probabilmente aiuta a formare i ricordi e mostra che la posizione dei ricordi nel cervello non è casuale.

In altri esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che le reti neurali conservano ricordi dimenticati. I topi a cui è stato iniettato un cocktail di inibitori proteici sviluppano amnesia, probabilmente dimenticando le informazioni perché le loro sinapsi “appassiscono”. Ma i ricercatori hanno scoperto che questi ricordi non sono persi per sempre: i neuroni conservavano ancora le informazioni, anche se senza sinapsi non potevano essere recuperate (almeno non senza stimolazione optogenetica). I topi con la malattia di Alzheimer hanno mostrato una perdita di memoria simile. 

Un'altra scoperta ha a che fare con il modo in cui il sogno rafforza i nostri ricordi. I neuroscienziati pensavano da tempo che mentre le esperienze della giornata si ripetevano sotto forma di impulsi nervosi durante il sonno, quei ricordi si trasferivano lentamente dall'ippocampo alla corteccia in modo che il cervello potesse estrarre informazioni per regolare il comportamento. Sapevano anche che alcune regole venivano sintetizzate dalla corteccia più rapidamente, ma i modelli esistenti non potevano spiegare come ciò fosse accaduto. Recentemente, tuttavia, i ricercatori hanno utilizzato strumenti optogenetici negli studi sugli animali per dimostrare che l'ippocampo funziona anche per stabilire questi ricordi corticali che si formano rapidamente.

"L'ippocampo aiuta a creare rapidamente engrammi di memoria immaturi nella corteccia", afferma Takashi Kitamura, un ricercatore del Southwestern Medical Center dell'Università del Texas. "L'ippocampo comunica con la corteccia, ma senza strumenti optogenetici potremmo non essere in grado di osservare gli engram immaturi".

E’ possibile manipolare la memoria?

I ricordi non sono così stabili come potrebbe sembrare. Per loro stessa natura, devono essere suscettibili di cambiamento, altrimenti l'apprendimento sarebbe impossibile. Quasi un decennio fa, i ricercatori del MIT hanno alterato geneticamente i topi in modo che quando i loro neuroni erano attivi durante l'apprendimento, coinvolgevano il gene ChR2, che era legato a una proteina fluorescente verde. Vedendo quali neuroni emettevano fluorescenza, i neuroscienziati potevano identificare quali erano coinvolti nell'apprendimento. Con questa tecnica, si potrebbero riattivare ricordi specifici illuminando i geni ChR2 associati a quei neuroni. 

A partire da queste considerazioni, i ricercatori del MIT hanno inserito un falso ricordo nel cervello dei topi. Per prima cosa hanno collocato i topi in una scatola triangolare e hanno attivato specifici geni e neuroni ChR2. Quindi hanno messo i topi in una scatola quadrata e hanno somministrato breve scosse ai loro piedi mentre illuminavano i neuroni ChR2 associati al primo ambiente. 

Alla fine, i topi hanno associato la memoria della scatola triangolare con gli shock, anche se gli impulsi elettrici arrivavano solo quando si trovavano nella scatola quadrata. "Gli animali avevano paura di un ambiente in cui, tecnicamente parlando, non accadeva mai nulla di 'cattivo'", afferma Steve Ramirez, coautore dello studio e ora ricercatore di neuroscienze alla Boston University. Non è possibile utilizzare tali tecniche che coinvolgono cavi in fibra ottica e laser per la sperimentazione sul cervello umano, ma i risultati sul cervello dei topi suggeriscono quanto facilmente possano essere manipolati i ricordi. 

Si possono vedere i ricordi al di fuori del cervello?

I ricordi umani possono essere ricostruiti visivamente utilizzando scanner cerebrali. Nella ricerca condotta da Brice Kuhl, ricercatore di neuroscienze cognitive dell'Università dell'Oregon, alle persone sono state fornite immagini da visualizzare e il loro cervello è stato scansionato con una macchina per la risonanza magnetica per misurare quali aree erano attive. È stato quindi addestrato un algoritmo per indovinare cosa stava visualizzando la persona e ricostruire un'immagine in base a questa attività. L'algoritmo ha anche ricostruito le immagini dei partecipanti a cui è stato chiesto di tenere in mente una delle immagini che avevano visualizzato. 

C'è molto spazio per migliorare la tecnica delle immagini ricostruite, ma questo lavoro ha dimostrato che gli algoritmi di neuroimaging e di ricostruzione possono effettivamente mostrare il contenuto dei ricordi umani agli altri. La tecnologia ha permesso ai neuroscienziati di scrutare nel cervello e vedere le minuscole tracce luminose della memoria. In breve, la scoperta che le esperienze e le conoscenze possono essere impiantate o esteriorizzate aprirà la strada a nuove interpretazioni del ruolo della memoria. 

Joushua Sarinana è un neuroscienziato, scrittore e fotografo d'arte.

(rp)