Un recente studio condotto dall’Università Rockefeller e dall’UCLA ha portato alla luce come la pratica ripetitiva consolidi le vie neurali, migliorando così la precisione e l’automatismo nell’esecuzione di un compito. Attraverso l’uso di tecniche di imaging all’avanguardia, i ricercatori hanno osservato la stabilizzazione di circa 73.000 neuroni corticali nei topi nel corso di due settimane di allenamento, offrendo nuove prospettive sui meccanismi di apprendimento e memoria.
Il team di ricerca ha impiegato una tecnologia innovativa sviluppata da Alipasha Vaziri, a capo del Laboratorio di Neurologia e Biofisica della Rockefeller, che ha permesso di monitorare simultaneamente l’attività di decine di migliaia di neuroni mentre i topi apprendevano e ripetevano un determinato compito. Questo studio, pubblicato su Nature, ha rivelato che le rappresentazioni della memoria passano da uno stato instabile a uno stabile nei circuiti della memoria operativa, spiegando il motivo per cui le prestazioni diventano più precise e automatiche con la pratica ripetuta.
Vaziri spiega che il loro lavoro dimostra come la memoria operativa – la capacità del cervello di trattenere ed elaborare informazioni – migliori attraverso la pratica. Queste scoperte non solo avanzano la nostra comprensione dell’apprendimento e della memoria, ma potrebbero anche avere implicazioni nel trattamento dei disturbi legati alla memoria.
La memoria operativa è fondamentale per diverse funzioni cognitive, ma i meccanismi che regolano la formazione, la conservazione e il richiamo della memoria, che ci permettono di eseguire un compito già appreso senza doverlo riapprendere, rimangono poco chiari su scale temporali prolungate.
Per questo studio, i ricercatori hanno voluto osservare la stabilità delle rappresentazioni della memoria operativa nel tempo e il ruolo che queste giocano nella capacità di eseguire abilmente un compito su comando. Hanno quindi registrato ripetutamente le popolazioni neuronali nei topi per un periodo relativamente lungo mentre gli animali imparavano e diventavano esperti in un dato compito.
Una sfida significativa è stata superare le limitazioni tecniche che hanno ostacolato la capacità di immaginare l’attività di una grande popolazione di neuroni in tutto il cervello in tempo reale, per periodi più lunghi e a qualsiasi profondità del tessuto nella corteccia.
I ricercatori dell’UCLA si sono rivolti a Vaziri, che ha sviluppato tecniche di imaging cerebrale tra le poche capaci di catturare la maggior parte della corteccia del topo in tempo reale con alta risoluzione e velocità. Vaziri ha suggerito l’uso della microscopia a perline luminose (LBM), una tecnologia di imaging volumetrico ad alta velocità da lui sviluppata che permette la registrazione in vivo dell’attività delle popolazioni neuronali fino a 1 milione di neuroni.
Nel corso dello studio attuale, i ricercatori hanno utilizzato LBM per immaginare l’attività cellulare di 73.000 neuroni nei topi simultaneamente in varie profondità della corteccia e hanno monitorato l’attività degli stessi neuroni per due settimane mentre gli animali identificavano, ricordavano e ripetevano una sequenza di odori.
Hanno scoperto che i circuiti della memoria operativa si trasformavano man mano che i topi padroneggiavano le sequenze appropriate. Inizialmente, i circuiti erano instabili, ma con la pratica ripetuta, iniziarono a stabilizzarsi e solidificarsi. Vaziri descrive questo processo come una “cristallizzazione”, sottolineando come l’allenamento ripetitivo non solo migliora la competenza nelle abilità ma anche induce cambiamenti profondi nei circuiti della memoria del cervello, rendendo le prestazioni più precise e automatiche.
Peyman Golshani, neurologo di UCLA Health e autore corrispondente, aggiunge che se si immagina che ogni neurone nel cervello emetta una nota diversa, la melodia generata dal cervello mentre esegue il compito cambiava di giorno in giorno, ma poi diventava sempre più raffinata e simile man mano che gli animali continuavano a praticare il compito.
Alcuni aspetti di queste scoperte sono stati resi possibili unicamente dalle capacità di imaging su larga scala e in profondità dei tessuti offerte dalla LBM. Inizialmente, i ricercatori hanno utilizzato l’imaging a due fotoni standard di popolazioni neuronali più piccole negli strati corticali superiori, ma non sono riusciti a trovare prove della stabilizzazione della memoria. Tuttavia, una volta impiegata la LBM per registrare oltre 70.000 neuroni nelle regioni corticali più profonde, sono stati in grado di osservare la cristallizzazione delle rappresentazioni della memoria operativa che accompagnava l’aumento della padronanza del compito da parte dei topi.
In futuro, Vaziri afferma che potrebbero esplorare il ruolo di diversi tipi di cellule neuronali nel mediare questo meccanismo, in particolare l’interazione di diversi tipi di interneuroni con le cellule eccitatorie. Sono inoltre interessati a comprendere come l’apprendimento sia implementato e possa essere trasferito in un nuovo contesto, ovvero come il cervello possa generalizzare da un compito appreso a nuovi problemi sconosciuti.