Come le reti di cellule cerebrali stabilizzano i ricordi / How Brain Cell Networks Stabilize Memories
Come le reti di cellule cerebrali stabilizzano i ricordi / How Brain Cell Networks Stabilize Memories
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Secondo un nuovo studio condotto dai ricercatori della NYU Langone Health, i circuiti cerebrali recentemente decodificati rendono i ricordi più stabili nell'ambito dell'apprendimento.
Pubblicato online su Science il 30 ottobre, lo studio dimostra che l'attività nei percorsi di segnalazione che collegano due regioni del cervello, la corteccia entorinale e la regione CA3 dell'ippocampo, aiuta i topi a codificare nei circuiti cerebrali mappe dei luoghi.
Studi precedenti hanno dimostrato che il circuito entorinale/ippocampale è cruciale sia per la formazione della memoria che per il suo recupero attraverso il completamento di schemi a partire da indizi parziali. Un recupero affidabile richiede che le mappe di posizione dell'ippocampo rimangano stabili, resistendo in una certa misura ai cambiamenti ambientali.
Problemi con i calcoli neurali CA3 possono portare a sintomi simili a quelli della schizofrenia o del disturbo da stress post-traumatico, affermano gli autori dello studio, in cui la stabilità e la precisione dei ricordi vengono meno. In questi casi, lo scoppio di un palloncino ad una festa potrebbe provocare una risposta di paura paralizzante, come il cervello di un soldato che ricorda erroneamente l'esplosione di una bomba.
"Il nostro studio, concentrandosi sulla stabilità delle rappresentazioni dell'ippocampo, colma una lacuna sostanziale nella comprensione di come gli input a lungo raggio controllino i circuiti neuronali essenziali per il richiamo della memoria", ha affermato l'autore principale dello studio Jayeeta Basu, PhD, professore associato presso i dipartimenti di psichiatria e neuroscienze presso la NYU Langone Health.
"Una migliore comprensione dei circuiti che supportano le mappe dei luoghi potrebbe guidare la futura progettazione di trattamenti più precisi per le condizioni che influenzano la memoria", ha aggiunto il dott. Basu, che è anche membro della facoltà presso l'Institute for Translational Neuroscience presso la NYU Langone Health e recente vincitore del Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers.
Modelli di memoria per set di attività a circuito ripetuto
Il nuovo studio ruota attorno alle cellule cerebrali chiamate neuroni, che "si attivano", ovvero generano rapide oscillazioni nell'equilibrio delle loro cariche positive e negative, per trasmettere segnali elettrici che coordinano pensieri e ricordi.
Quando una carica raggiunge l'estremità di una delle estensioni di una cellula cerebrale, innesca il rilascio di neurotrasmettitori che attraversano lo spazio tra una cellula e l'altra. Dall'altro lato, si agganciano a proteine che, a seconda della loro natura, stimolano la cellula nervosa a valle a scaricarsi (eccitazione) o ne inibiscono l'attivazione, affermano i ricercatori.
Questa combinazione di eccitazione ed inibizione raggiunge un equilibrio che scolpisce il "rumore" nei pensieri, un equilibrio che viene mantenuto quando il cervello non sta imparando (in stato di riposo). Durante l'apprendimento, tuttavia, gli incrementi di eccitazione codificano nuovi ricordi e gli schemi di attività dei neuroni determinano la specificità dei ricordi che rappresentano. Riattivare questi neuroni secondo uno schema prestabilito richiama un ricordo specifico e produce il comportamento correlato, come nel caso di un topo che impara a distinguere le ricompense di acqua zuccherata in un labirinto rispetto ad un altro.
L'attuale studio si concentra sui neuroni con lunghe estensioni che coordinano l'attività tra regioni cerebrali distanti. Si sa ancora poco su come gli input cellulari a lungo raggio influenzino i circuiti locali, mentre il cervello bilancia modelli stabili (di ciò che è già noto) con nuovi dati (riguardo a esperienze in continuo cambiamento) per formare i ricordi.
Il gruppo di ricerca ha determinato che due tipi di estensioni a lungo raggio dalla corteccia entorinale laterale alla regione CA3 attivano contemporaneamente il segnale per stabilizzare l'attività delle reti di apprendimento delle cellule cerebrali. In particolare, è stato scoperto che le estensioni glutammatergiche eccitatorie a lungo raggio (LECGLU) e GABAergiche inibitorie (LECGABA) aumentano l'attività di insiemi di neuroni interconnessi a supporto dell'apprendimento.
Gli autori dello studio hanno esaminato le interazioni tra gli input a lungo raggio delle LEC ed i circuiti CA3 a livello di singola cellula. È stato scoperto che LECGLU guida l'eccitazione in CA3, ma anche un'inibizione "feed-forward" che ne regola finemente l'attivazione, mentre LECGABA sopprime questa inibizione locale per disinibire (incoraggiare) l'attività di CA3. Questa azione combinata supporta la stabilità in CA3 innescando un'attività ricorrente in determinati circuiti, codificando i ricordi dei luoghi.
"Questo lavoro ha analizzato il meccanismo attraverso il quale il cervello aumenta l'eccitazione delle cellule cerebrali per prestare maggiore attenzione a determinate informazioni sensoriali, riducendo l'inibizione in microcircuiti chiave", afferma il primo autore dello studio, Vincent Robert, PhD, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Basu. "Il gruppo ha descritto in dettaglio un meccanismo circuitale che perfeziona il dialogo tra eccitazione, inibizione e disinibizione al servizio della formazione della memoria dipendente dal contesto e della stabilità della mappa spaziale".
ENGLISH
Newly decoded brain circuits make memories more stable as part of learning, a recent study has found.
Newly decoded brain circuits make memories more stable as part of learning, according to a new study led by NYU Langone Health researchers.
Published online in Science on October 30, the study shows that activity in signaling pathways connecting two brain regions, the entorhinal cortex and the CA3 region of the hippocampus, help mice encode in brain circuitry maps of places.
The entorhinal/hippocampal circuit is known from past studies to be crucial for both memory formation and the recalling of memories by completing patterns from partial cues. Reliable recall requires that hippocampal place maps remain stable, withstanding to some degree changes in the environment.
Problems with CA3 neural computations can lead to symptoms similar to those of schizophrenia or post-traumatic stress disorder, the study authors say—where the stability and precision of memories fail. In these instances, a balloon pop at a party might result in a freezing fear response, as a soldier’s brain wrongly recalls a bomb blast.
“Our study, by focusing on the stability of hippocampal representations, fills in a substantial gap in the understanding of how long-range inputs control neuronal circuits essential for memory recall,” said senior study author Jayeeta Basu, PhD, an assistant professor in the Departments of Psychiatry and Neuroscience at NYU Langone Health.
“A better understanding of circuits supporting place maps may guide the future design of more precise treatments for conditions that affect memory,” added Dr, Basu, who is also a faculty member at the Institute for Translational Neuroscience at NYU Langone Health and recent winner of the Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers.
Repeated Circuit Activity Sets Memory Templates
The new study revolves around brain cells called neurons, which “fire”—generate quick swings in the balance of their positive and negative charges—to transmit electrical signals that coordinate thoughts and memories.
As a charge reaches the end of one brain cell’s extensions, it triggers the release of neurotransmitter chemicals that float across the gap between one cell and the next. On the other side, they dock into proteins that, depending on their nature, either encourage the downstream nerve cell to fire (excitation) or inhibit its firing, the researchers say.
This combination of excitation and inhibition achieves a balance that sculpts “noise” into thoughts, a balance that is maintained when the brain is not learning (in a resting state). During learning, however, boosts in excitation encode new memories, and the activity patterns of neurons determine the specificity of the memories they represent. Reactivating these neurons in a set pattern recalls a specific memory, and produces the related behavior—such as a mouse learning where sugar water rewards are in one maze versus another.
The current study’s focus is on neurons with long extensions that coordinate activity among distant brain regions. Little is known about how long-range cell inputs influence local circuits as the brain balances stable templates (of what is already known) against new data (about constantly changing experiences) to form memories.
The research team determined that two types of long-range extensions from the lateral entorhinal cortex to the CA3 region signal at the same time to stabilize the activity of brain cell learning networks. Specifically, long-range excitatory glutamatergic (LECGLU) and inhibitory GABAergic (LECGABA) extensions were found to increase the activity of ensembles of interconnected neurons to support learning.
The study authors examined the interactions between LEC long-range inputs and CA3 circuits at the single cell level. LECGLU was found to drive excitation in CA3 but also “feed-forward” inhibition that fine-tuned firing, while LECGABA suppressed this local inhibition to disinhibit (encourage) CA3 activity. This combined action supported stability in CA3 by triggering recurrent activity in certain circuits, encoding memories of places.
“This work dissected the mechanism whereby the brain boosts excitation of brain cells to pay more attention to certain sensory information by dialing down inhibition in key microcircuits,” says first study author Vincent Robert, PhD, a postdoctoral scholar in Basu’s lab. “The team detailed a circuit mechanism that fine-tunes the dialogue among excitation, inhibition, and disinhibition in service of context-dependent memory formation and place map stability.”
Da:
https://www.technologynetworks.com/neuroscience/news/how-brain-cell-networks-stabilize-memories-406403
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