Tutti i dispositivi di archiviazione della memoria, dal cervello alla RAM del computer, memorizzano le informazioni modificandone le qualità fisiche. Oltre 130 anni fa, il neuroscienziato pionieristico Santiago Ramón y Cajal suggerì per la prima volta che il cervello immagazzina informazioni riorganizzando le connessioni, o sinapsi, tra i neuroni.
Da allora, i neuroscienziati hanno tentato di comprendere i cambiamenti fisici associati alla formazione della memoria. Ma visualizzare e mappare le sinapsi è difficile da fare. Per un motivo, le sinapsi sono molto piccole e strettamente unite insieme. Sono circa 10 miliardi di volte più piccoli del più piccolo oggetto che una risonanza magnetica clinica standard può visualizzare. Inoltre, ci sono circa 1 miliardo di sinapsi nel cervello dei topi che i ricercatori usano spesso per studiare la funzione cerebrale e sono tutte dello stesso colore, da opaco a traslucido, del tessuto che le circonda.
Una nuova tecnica di imaging, che alcuni ricercatori hanno sviluppato, ha permesso di mappare le sinapsi durante la formazione della memoria. Hanno scoperto che il processo di formazione di nuovi ricordi cambia il modo in cui le cellule cerebrali sono collegate tra loro. Mentre alcune aree del cervello creano più connessioni, altre le perdono.
Mappatura di nuovi ricordi nei pesci
In precedenza, i ricercatori si sono concentrati sulla registrazione dei segnali elettrici prodotti dai neuroni. Sebbene questi studi abbiano confermato che i neuroni cambiano la loro risposta a stimoli particolari dopo che si è formato un ricordo, non sono stati in grado di individuare cosa guida quei cambiamenti.
Per studiare come il cervello cambia fisicamente quando forma una nuova memoria, sono state create mappe 3D delle sinapsi del pesce zebra prima e dopo la formazione della memoria. Hanno scelto il pesce zebra come soggetto di prova perché è abbastanza grande da avere un cervello che funziona come quello delle persone, ma anche abbastanza piccolo e trasparente da offrire una finestra sul cervello vivente.
Per indurre una nuova memoria nel pesce, hanno utilizzato un tipo di processo di apprendimento chiamato condizionamento classico. Si tratta di esporre un animale a due diversi tipi di stimoli contemporaneamente: uno neutro che non provoca una reazione e uno sgradevole che l’animale cerca di evitare. Quando questi due stimoli sono accoppiati insieme un numero sufficiente di volte, l’animale risponde allo stimolo neutro come se fosse lo stimolo sgradevole, indicando che ha creato una memoria associativa legando insieme questi stimoli.
Come stimolo sgradevole, hanno riscaldato delicatamente la testa del pesce con un laser a infrarossi. Quando il pesce ha mosso la coda, l’hanno considerato come un’indicazione che voleva scappare. Quando il pesce viene quindi esposto a uno stimolo neutro, l’accensione di una luce, lo sfarfallio della coda significa che sta ricordando cosa è successo quando ha incontrato in precedenza lo stimolo sgradevole.
Per creare le mappe, hanno modificato geneticamente il pesce zebra con neuroni che producono proteine fluorescenti che si legano alle sinapsi e le rendono visibili. Hanno quindi ripreso le sinapsi con un microscopio che utilizza una dose di luce laser molto inferiore rispetto ai dispositivi standard che utilizzano anche la fluorescenza per generare immagini. Poiché questo microscopio ha causato meno danni ai neuroni, sono stati in grado di visualizzare le sinapsi senza perdere la loro struttura e funzione.
Quando hanno confrontato le mappe delle sinapsi 3D prima e dopo la formazione della memoria, e hanno scoperto che i neuroni in una regione del cervello, il pallio dorsale anterolaterale, hanno sviluppato nuove sinapsi mentre i neuroni prevalentemente in una seconda regione, il pallio dorsale anteromediale, hanno perso sinapsi. Ciò significava che i nuovi neuroni si stavano accoppiando, mentre altri distruggevano le loro connessioni. Precedenti esperimenti hanno suggerito che il pallio dorsale dei pesci potrebbe essere analogo all’amigdala dei mammiferi, dove sono immagazzinati i ricordi della paura.
Sorprendentemente, i cambiamenti nella forza delle connessioni esistenti tra i neuroni che si sono verificati con la formazione della memoria sono stati piccoli e indistinguibili dai cambiamenti nei pesci di controllo che non hanno formato nuovi ricordi. Ciò significava che la formazione di una memoria associativa implica la formazione e la perdita di sinapsi, ma non necessariamente cambia la forza delle sinapsi esistenti, come si pensava in precedenza.
Rimuovere le sinapsi potrebbe rimuovere i ricordi?
Il nuovo metodo di osservazione della funzione delle cellule cerebrali potrebbe aprire la porta non solo a una comprensione più profonda di come funziona effettivamente la memoria, ma anche a potenziali vie per il trattamento di condizioni neuropsichiatriche come PTSD e dipendenza.
I ricordi associativi tendono ad essere molto più forti di altri tipi di ricordi, come i ricordi coscienti di ciò che hai mangiato ieri a pranzo. Si ritiene inoltre che i ricordi associativi indotti dal condizionamento classico siano analoghi ai ricordi traumatici che causano il disturbo da stress post-traumatico. Stimoli altrimenti innocui simili a quelli vissuti al momento del trauma possono innescare il richiamo di ricordi dolorosi. Ad esempio, una luce intensa o un forte rumore potrebbero riportare alla mente ricordi di combattimento. Questo studio rivela il ruolo che le connessioni sinaptiche possono svolgere nella memoria e potrebbe spiegare perché i ricordi associativi possono durare più a lungo ed essere ricordati in modo più vivido rispetto ad altri tipi di ricordi.
Attualmente il trattamento più comune per il disturbo da stress post-traumatico, la terapia dell’esposizione, consiste nell’esporre ripetutamente il paziente a uno stimolo innocuo ma scatenante al fine di sopprimere il ricordo dell’evento traumatico. In teoria, questo rimodella indirettamente le sinapsi del cervello per rendere la memoria meno dolorosa. Sebbene ci sia stato un certo successo con la terapia dell’esposizione, i pazienti sono inclini alle ricadute. Ciò suggerisce che la memoria sottostante che causa la risposta traumatica non è stata eliminata.
Non è ancora noto se la generazione e la perdita di sinapsi guidino effettivamente la formazione della memoria. Un laboratorio ha sviluppato una tecnologia in grado di rimuovere rapidamente e con precisione le sinapsi senza danneggiare i neuroni. Hanno in programma di utilizzare metodi simili per rimuovere le sinapsi nel pesce zebra o nei topi per vedere se questo altera i ricordi associativi.
Potrebbe essere possibile cancellare fisicamente i ricordi associativi che sono alla base di condizioni devastanti come il disturbo da stress post-traumatico e la dipendenza con questi metodi. Prima ancora che un tale trattamento possa essere contemplato, tuttavia, i cambiamenti sinaptici che codificano le memorie associative devono essere definiti con maggiore precisione. E ci sono ovviamente seri ostacoli etici e tecnici che dovrebbero essere affrontati. Tuttavia, è allettante immaginare un futuro lontano in cui la chirurgia sinaptica potrebbe rimuovere i brutti ricordi.
Autore
Don Arnold, USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences
