Un nuovo studio condotto utilizzando il pesce zebra ha rivelato come le reti neurali presenti nel tronco cerebrale siano responsabili del controllo del movimento degli occhi. Questa scoperta offre un nuovo modello che imita tali reti neurali, il quale potrebbe essere utilizzato per prevedere l’attività cerebrale, con potenziali benefici per i trattamenti dei disturbi degli occhi e per una maggiore comprensione della memoria a breve termine.
I ricercatori del Weill Cornell Medicine, insieme ai loro collaboratori, hanno individuato come le connessioni all’interno di una rete di neuroni nel tronco cerebrale regolino il movimento degli occhi nei pesci zebra di una settimana di vita. Lo studio, pubblicato su Nature Neuroscience il 22 novembre, ha dimostrato che un circuito artificiale semplificato, basato su questa architettura neurale, è in grado di prevedere con precisione l’attività della rete neurale.
Questi risultati non solo contribuiscono a migliorare la nostra comprensione del funzionamento della memoria a breve termine nel cervello, ma offrono anche nuove prospettive per lo sviluppo di trattamenti innovativi per i disturbi legati al movimento degli occhi.
Il cervello è costantemente impegnato nell’elaborazione di informazioni sensoriali provenienti dall’ambiente circostante. Per poter interpretare correttamente tali informazioni, è necessario che il cervello sia in grado di trattenere temporaneamente i dettagli rilevanti, sia per formulare frasi comprensibili che per mantenere il focus visivo su un determinato oggetto. Questa capacità di trattenere e utilizzare le informazioni sensoriali è fondamentale per la costruzione di una visione coerente del mondo.
Il Dr. Emre Aksay, professore associato di fisiologia e biofisica presso il Weill Cornell Medicine e autore principale dello studio, insieme al Dr. Mark Goldman dell’Università della California Davis e al Dr. Sebastian Seung dell’Università di Princeton, ha dichiarato che l’obiettivo principale del progetto è comprendere come i meccanismi neurali generino i comportamenti legati alla memoria a breve termine.
Per analizzare il comportamento di tali circuiti neurali, i neuroscienziati si avvalgono degli strumenti dei sistemi dinamici, che consistono nella creazione di modelli matematici in grado di descrivere come lo stato di un sistema evolve nel tempo. In questo contesto, un circuito di memoria a breve termine rimane in uno stato specifico fino a quando non riceve un nuovo stimolo, che lo porta a passare a un nuovo stato di attività.
Nel sistema visuo-motorio, ciascuno di questi stati può memorizzare la posizione in cui un animale dovrebbe dirigere lo sguardo. Gli studiosi hanno esaminato i pesci zebra larvali, che a cinque giorni di vita sono già in grado di nuotare e cacciare prede, attività che richiedono un’attenzione visiva costante.
Il sistema cerebrale che controlla il movimento degli occhi nei pesci zebra è strutturalmente simile a quello presente nei mammiferi, ma è composto da soli 500 neuroni, il che rende possibile analizzarlo in modo dettagliato sia dal punto di vista strutturale che funzionale.
Attraverso l’utilizzo di avanzate tecniche di imaging, il Dr. Aksay e il suo team hanno identificato i neuroni coinvolti nel controllo del movimento degli occhi nei pesci zebra e hanno studiato le connessioni tra di essi. Hanno scoperto che il sistema è caratterizzato da due cicli di feedback distinti, ognuno contenente tre cluster di cellule strettamente interconnesse.
Basandosi su questa architettura neurale, i ricercatori hanno sviluppato un modello computazionale che è stato in grado di prevedere con precisione i modelli di attività del circuito neurale dei pesci zebra, risultati che sono stati confermati confrontandoli con dati fisiologici.
Il Dr. Aksay ha sottolineato l’importanza di comprendere come ciascun cluster di cellule contribuisca al comportamento complessivo del circuito e se i neuroni presenti in cluster diversi abbiano caratteristiche genetiche distintive. Queste informazioni potrebbero essere utili per sviluppare terapie mirate per i disturbi del movimento degli occhi.
Questo studio fornisce inoltre un modello per indagare i sistemi computazionali più complessi presenti nel cervello, che si basano sulla memoria a breve termine, come quelli coinvolti nella decodifica delle scene visive o nella comprensione del linguaggio.
Lo studio è stato finanziato in parte dal National Institutes of Health, dal National Institute of Neurological Disorders and Stroke, dal National Eye Institute e dal National Cancer Institute.
