Che fine fanno i ricordi quando metà delle sinapsi del cervello scompaiono? / What Happens to Memories When Half the Brain’s Synapses Disappear?

Che fine fanno i ricordi quando metà delle sinapsi del cervello scompaiono? / What Happens to Memories When Half the Brain’s Synapses Disappear?

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Illustrazione del funzionamento interno del cervello di un topo durante l'ibernazione artificiale. Gli operatori potano le spine dendritiche non necessarie dalle cellule cerebrali, lasciando solo le sinapsi indispensabili per la conservazione della memoria a lungo termine. / An illustration of the inner workings of a mouse brain during artificial hibernation. Workers prune the irrelevant dendritic spines from brain cells, leaving only the synapses necessary for long-term memory retention.

Come facciamo a ricordare il passato remoto? Per decenni, gli scienziati hanno creduto che il potenziamento sinaptico – il rafforzamento adattivo delle connessioni cellulari del nostro cervello – fosse la chiave per la conservazione della memoria. Una ricerca pubblicata su Science, condotta dall'Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) e da collaboratori tra cui l'Università di Tsukuba, l'Exploratory Research Center on Life and Living Systems (ExCELLS) ed i National Institutes of Physiological Sciences, mette in discussione queste convinzioni consolidate. Il loro nuovo studio dimostra l'importanza dell'architettura sinaptica di ordine superiore, suggerendo che specifici schemi di connessione raggruppati tra le cellule cerebrali potrebbero essere fondamentali per la conservazione della memoria a lungo termine.

Il professor Kazumasa Tanaka, responsabile dell'Unità di Ricerca sulla Memoria dell'OIST, afferma: "In precedenza, si riteneva che il rafforzamento sinaptico fosse fondamentale per il recupero della memoria e che sinapsi più forti con spine dendritiche più grandi fossero essenziali per la ritenzione della memoria a lungo termine. Qui, dimostriamo che non tutte le sinapsi sono importanti ed, al contrario, evidenziamo l'importanza vitale dell'architettura dell'engramma. Lo studio indica che piccoli gruppi di sinapsi engramma-engramma vengono preservati per consentire un recupero accurato anche dopo l'ibernazione."

Le forme fisiche dei ricordi

Proprio come per la memoria dei computer, noi esseri umani abbiamo bisogno che una traccia fisica della memoria venga immagazzinata nel cervello. Questa traccia fisica, nota come engramma, è codificata attraverso una rete specifica di cellule cerebrali che subiscono cambiamenti a livello delle loro sinapsi, le giunzioni in cui si incontrano. Quando le cellule cerebrali connesse si attivano ripetutamente insieme, le loro sinapsi si rafforzano, aumentando il rilascio di neurotrasmettitori ed innescando cambiamenti strutturali, come l'allungamento delle spine dendritiche, che espandono l'area di contatto tra le due cellule. Al contrario, quando una particolare connessione non è molto attiva, i legami sinaptici tra le cellule si indeboliscono e possono infine scomparire del tutto. 

Le sinapsi con spine dendritiche più grandi e stabili sono state tradizionalmente considerate fondamentali per la memoria. Sebbene ci si potrebbe aspettare che queste connessioni rimangano costanti nel corso di un ricordo, studi recenti hanno scoperto che la struttura ed il numero di cellule coinvolte in un particolare engramma possono cambiare nel tempo, senza influenzare il ricordo stesso. Quindi, cosa c'è esattamente nei nostri engrammi che ci permette di ricordare i ricordi? 

L'ibernazione artificiale come strumento di ricerca

Per approfondire la questione, i ricercatori si sono concentrati sull'ibernazione. In questo stato, un metabolismo rallentato permette agli animali di sopravvivere alle rigide condizioni invernali con scarsità di cibo. Inoltre, l'ibernazione provoca una drastica riduzione dell'attività cerebrale. 

Nel 2020, un gruppo guidato dal professor Takeshi Sakurai presso l'International Institute for Integrative Sleep Medicine (WPI-IIIS), Tsukuba Institute for Advanced Research (TIAR), Università di Tsukuba, coautore di questo studio, ha indotto per la prima volta l'ibernazione artificiale nei topi. La loro ricerca ha svelato i circuiti cerebrali necessari per indurre l'ibernazione, aprendo la strada ad un nuovo strumento per la ricerca neuroscientifica. In seguito, hanno contattato Tanaka per collaborare, e lui ha accettato con entusiasmo. "I nostri cervelli sono incredibilmente complessi. Se l'ibernazione può ridurre e semplificare l'attività e la struttura cerebrale, potrebbe rendere più facile lo studio di questi sistemi complessi. Ecco perché volevo utilizzare le tecniche di ibernazione artificiale per studiare la memoria", afferma.

Analizzando le immagini del cervello dei topi prima, durante e dopo l'ibernazione artificiale, i ricercatori hanno scoperto che più della metà delle sinapsi nell'ippocampo scompaiono durante l'ibernazione e che la frequenza di scarica neuronale, un indicatore dell'attività cerebrale, si riduce di circa il 70%. L'eliminazione delle sinapsi non sembra essere influenzata dalle dimensioni delle spine dendritiche, con una uguale probabilità di rimozione sia per le sinapsi con spine grandi che per quelle con spine piccole.

La sorpresa è arrivata dai test comportamentali successivi all'ibernazione artificiale. È interessante notare che la capacità di ricordare degli animali è rimasta invariata, od addirittura migliorata in alcuni casi. 

La prima autrice dell'articolo, la dottoressa Yu-Ju Lin, afferma: "È stato sorprendente. Logicamente, se tutte le nostre sinapsi engrammatiche fossero essenziali per la ritenzione della memoria, come si pensava tradizionalmente, la memoria avrebbe dovuto deteriorarsi drasticamente."

Far luce sulla struttura del cervello

Per indagare sul perché la capacità di memorizzazione possa essere rimasta intatta od addirittura migliorata, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata CLEM, ovvero microscopia correlativa ottica ed elettronica. La tecnica Ai Takahashi spiega come funziona: "La CLEM combina la microscopia a fluorescenza con la microscopia elettronica ad alta risoluzione. Etichettando i campioni con marcatori fluorescenti, possiamo visualizzare diverse parti della cellula o dell'organismo in colori diversi. Questo può aiutarci, ad esempio, ad individuare proteine ​​importanti. Quindi, utilizzando la microscopia elettronica, possiamo ingrandire quelle stesse aree per esaminare le sottostrutture con un livello di dettaglio molto maggiore."

Questo studio è il primo ad utilizzare la microscopia confocale a scansione laser (CLEM) per osservare gli engrammi, un risultato significativo considerando quanto siano piccole e sparse le sinapsi engrammatiche. "Correlare con successo i set di dati della microscopia ottica ed elettronica per ottenere immagini engrammatiche è un'impresa tecnicamente molto complessa", aggiunge Tanaka. "Ci auguriamo che il nostro contributo allo sviluppo di questo metodo possa fornire nuove piattaforme per lo studio di altre importanti questioni neuroscientifiche in futuro."

Il gruppo ha marcato con coloranti fluorescenti le sinapsi ritenute coinvolte in una particolare traccia mnestica e le ha esaminate prima e dopo l'ibernazione artificiale. Hanno riscontrato una significativa diminuzione delle sinapsi. Tuttavia, alcuni gruppi di sinapsi sembravano essere rimasti intatti.

"Questo suggerisce che per la memoria a lungo termine, solo particolari gruppi di sinapsi sono importanti, mentre il resto potrebbe essere superfluo", afferma Tanaka. "È interessante notare che le dimensioni delle spine dendritiche, che si è dimostrato aumentare durante la codifica iniziale della memoria, non sembrano avere un ruolo nella ritenzione della memoria stessa." 

Lin aggiunge: "Abbiamo osservato questa interessante correlazione tra cluster e ritenzione della memoria, ma non abbiamo ancora dimostrato un nesso causale. Con lo sviluppo della tecnologia, sarà interessante studiare questi cluster in modo più dettagliato, per rispondere a questi interrogativi ancora aperti."

I meccanismi di ritenzione della memoria

In prospettiva, i ricercatori sperano di proseguire i loro studi sulla memoria, con l'obiettivo di comprendere i meccanismi attraverso i quali questi gruppi di elementi fondamentali vengono protetti. 

"Abbiamo fatto luce su alcuni aspetti dell'architettura necessaria per la conservazione della memoria", afferma Tanaka. "Ma ci sono ancora molte domande da esplorare. Come fa il cervello a mantenere questa struttura nel tempo? Come interagiscono i diversi ricordi? Abbiamo ancora molto da imparare."

I ricercatori intendono inoltre studiare altri aspetti dell'ibernazione artificiale. "Questo lavoro si è concentrato sui topi, ma gli stessi circuiti neuronali responsabili dell'ibernazione sono ben conservati in molti mammiferi, compresi gli esseri umani", afferma Tanaka. "Pertanto, attraverso studi sull'ibernazione artificiale, potremmo essere in grado di scoprire nuove conoscenze od applicazioni che possano essere applicate alla salute umana ed alle neuroscienze".

ENGLISH

Long-term memories may depend on specific clusters of synapses rather than the strength of individual connections.

How do we remember the distant past? For decades, scientists have believed synaptic potentiation - the adaptive strengthening of our brain’s cellular connections - to be the key to memory retention. Published in Science, research from the Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) and collaborators including the University of Tsukuba, the Exploratory Research Center on Life and Living Systems (ExCELLS), and National Institutes of Physiological Sciences, challenges these long-held beliefs. Their new paper demonstrates the importance of higher-order synaptic architecture, suggesting that specific clustered patterns of connections between brain cells may be key to retaining long term memory.

Professor Kazumasa Tanaka, head of OIST’s Memory Research Unit, says. “Previously, synaptic strengthening was thought to be key to memory recall, and that stronger synapses with larger dendritic spines were fundamental to long-term memory retention. Here, we show that not every synapse matters, and demonstrate instead the vital importance of engram architecture. The study indicates that small clusters of engram-engram synapses are preserved to enable accurate recall even after hibernation.”

The physical forms of memories

Much like computer storage, we humans require a physical memory trace to be stored in the brain.  This physical trace, known as an engram, is encoded through a dedicated network of brain cells undergoing changes at their synapses, the junctions where they meet. When connecting brain cells repeatedly fire together, their synapses strengthen, increasing neurotransmitter release and triggering structural changes, such as larger dendritic spines, which expand the contact area between the two cells. Conversely, when a particular connection isn’t very active, the synaptic bonds between the cells weaken, and may eventually disappear altogether. 

The synapses with larger, more stable dendritic spines have traditionally been seen as key for memory. While we might expect these connections to stay consistent over the course of a memory, recent studies have found that the structures and numbers of cells involved in a particular engram can change over time, without affecting recall. So, what exactly is it with our engrams that let us remember memories? 

Artificial hibernation as a research tool

To investigate, the researchers turned to hibernation. In a hibernation state, a decreased metabolism enables creatures to survive harsh, wintery conditions with little food. It also causes brain activity to dramatically reduce. 

In 2020, a team led by Professor Takeshi Sakurai at the International Institute for Integrative Sleep Medicine (WPI-IIIS), Tsukuba Institute for Advanced Research (TIAR), University of Tsukuba, co-author of this current study, induced artificial hibernation for the first time in mice. Their research uncovered the brain circuitry necessary for inducing hibernation, unlocking a new tool for neuroscience research. They later reached out to Tanaka to collaborate, who eagerly agreed. “Our brains are incredibly complex. If hibernation can reduce and simplify brain activity and structure, it could make studying these convoluted systems a bit easier. That’s why I wanted to use artificial hibernation techniques to study memories,” he says.

By imaging mouse brains before, during and after artificial hibernation, the researchers found that more than half of synapses in the hippocampus region of the brain disappeared in hibernation, and neuronal firing rate, a measure of brain activity, reduced by roughly 70%. Synapse elimination didn’t seem to be influenced by dendritic spine size, with synapses involving both large and small spines equally likely to be removed.

The surprise came in behavioral tests after artificial hibernation. Interestingly, the animals’ memory recall remained the same, or even improved in some instances. 

First author of the paper Dr. Yu-Ju Lin says, “It was astonishing. Logically, if all our engram synapses were essential in memory retention as traditionally thought, memory should have massively deteriorated.”

Shining a light on brain structure

To investigate why memory retention may have stayed intact or improved, the researchers used a technique called CLEM - correlative light and electron microscopy. Technician Ai Takahashi explains how this works, “CLEM combines fluorescence microscopy with high-resolution electron microscopy. By labelling samples with fluorescent tags, we can see different parts of the cell or organism in different colors. This can, for example, help us to pinpoint important proteins. Then using electron microscopy, we can zoom in on those same areas, to examine substructures in much higher detail.”

This study is the first to use CLEM to observe engrams, a significant achievement given how small and sparse engram synapses are. “Successfully correlating the light microscopy and electron microscopy datasets to image engrams is a very technically challenging feat,” adds Tanaka. “We hope our contributions to developing this method may provide new platforms for studying other important neuroscientific questions in future.”

The team fluorescently labelled the synapses thought to be involved in a particular memory trace and examined these before and after artificial hibernation. They found a significant decrease in synapses. However, certain clusters of synapses seemed to be spared.

“This suggests that for long-term memory, only particular clusters of synapses matter - the rest may be dispensable,” says Tanaka. “Interestingly, dendritic spine size, which has been shown to increase in initial memory encoding, doesn’t seem to play a factor in memory retention.” 

Lin adds, “We’ve observed this interesting correlation between clusters and memory retention, but not yet proven a causal link. As technology develops, it will be interesting to study these clusters in more detail, to answer these remaining questions.”

The mechanisms of memory retention

Looking forward, the researchers hope to continue their studies on memories, with the aim of understanding the mechanisms by which these core clusters are protected. 

“We’ve unlocked some insights into the architecture needed for memory retention,” says Tanaka. “But there are many more questions to explore. How does the brain maintain this structure over time? How do different memories interplay? We have so much left to learn.”

The researchers also plan to study other aspects of artificial hibernation. “This work focused on mice, but the same neuronal circuitry for hibernation is well-conserved across many mammals, including humans,” says Tanaka. “Therefore, through artificial hibernation studies, we may be able to discover new insights or applications that can translate to human health and neuroscience.”

Da:

https://www.technologynetworks.com/neuroscience/news/what-happens-to-memories-when-half-the-brains-synapses-disappear-415698