Una rete neuronale che rappresenta la direzione in cui si stanno muovendo i pesci zebra

30 maggio 2023 caratteristica

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di Ingrid Fadelli, Medical Xpress

Studi passati hanno scoperto che i cervelli di alcuni animali generano rappresentazioni della direzione in cui si stanno dirigendo. Ad esempio, la direzione del movimento degli insetti è rappresentata dall'attività dei neuroni in una regione al centro del loro cervello, nota come complesso centrale.

Ricercatori della Technical University di Monaco di Baviera hanno recentemente condotto uno studio mirato a identificare reti neurali simili che rappresentano la direzione di spostamento dei pesci zebra, svelandone anche la dinamica sottostante. I loro risultati, pubblicati su Nature Neuroscience, individuano una specifica rete nell'anticervello dei pesci zebra che sembra rappresentare la direzione in cui si stanno dirigendo.

'Lavoro precedente nel mio laboratorio ha rivelato una regione coinvolta nella presa di decisioni, in particolare la decisione di girare a sinistra o a destra', ha detto a Medical Xpress Ruben Portugues, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio.

'Questa regione, il nucleo interpeduncolare, è una struttura circolare che si trova al centro del cervello dei vertebrati. L'anatomia e la dinamica di questa struttura cerebrale ci hanno ricordato una struttura profonda e circolare del cervello degli insetti, il corpo ellissoidale, che è importante per la navigazione ed è stato dimostrato rappresentare la direzione degli insetti'.

Questo recente studio prende ispirazione da lavori precedenti condotti da altri team di ricerca, come il laboratorio di Vivek Jayaraman dell'Howard Hughes Medical Institute in Virginia e il laboratorio di Gaby Maimon all'Università Rockefeller. Questi lavori hanno individuato una regione cerebrale che sembra rappresentare la direzione in cui si stanno dirigendo gli insetti.

Nelle loro sperimentazioni, Portugues e i suoi colleghi hanno quindi cercato specificamente rappresentazioni di direzione di spostamento nei neuroni di pesci zebra che si proiettavano in questa regione cerebrale.

'I neuroni di direzione sono stati trovati nei roditori negli anni '90, tuttavia la rete completa non è mai stata osservata e non abbiamo capito come venisse generata la rappresentazione di direzione', ha spiegato Portugues. 'Il nostro obiettivo principale in questo studio era trovare la rete di direzione di spostamento dei pesci zebra e immagazzinare contemporaneamente una grande parte della rete. Ciò ci ha permesso di caratterizzare la rete e di capire come rappresenta la direzione di spostamento dell'animale'.

Nelle loro sperimentazioni, Portugues e i suoi colleghi hanno esaminato i neuroni dell'anticervello dei pesci zebra utilizzando tecniche di imaging funzionale. Più precisamente, hanno raccolto immagini utilizzando un microscopio che hanno costruito, chiamato microscopio a luce a foglio, che può immagazzinare contemporaneamente l'attività di diversi neuroni.

'Abbiamo anche ricostruito la morfologia dei neuroni in questa regione da un set di dati esistenti di microscopia elettronica,' ha detto Portugues. 'Da questo set di dati è stato possibile individuare dove questi neuroni inviano le loro proiezioni e come sono connessi ad altri neuroni nella rete. Le nostre ricostruzioni hanno rivelato che i neuroni di direzione inibiscono i neuroni di direzione che rappresentano la direzione opposta. Ciò garantisce che solo una singola direzione di spostamento sia rappresentata in qualsiasi momento.'

Dal momento che i neuroscienziati hanno scoperto l'esistenza dei cosiddetti 'neuroni di direzione' several decenni fa, molti modelli teorici sono stati introdotti per spiegare come questi neuroni siano collegati in una rete. Gli studi sugli insetti hanno dimostrato una bella concordanza tra teoria ed esperimenti, ma molto poco si sapeva delle reti di direzione di spostamento nei vertebrati (cioè, gli animali che possiedono una colonna vertebrale).

Portugues e i suoi colleghi sono i primi a raccogliere risultati che confermano che i circuiti neurali di direzione di spostamento esistono anche nel cervello dei pesci zebra.

'Il nostro recente lavoro mostra l'esistenza di tali reti in un cervello di vertebrato', ha detto Portugues. 'Grazie alla trasparenza e alle dimensioni ridotte dei pesci zebra, abbiamo potuto rivelare l'architettura della rete, concedendoci una comprensione meccanica di come funziona. Inoltre, mentre insetti e vertebrati hanno cervelli molto diversi, mostriamo che i sistemi di direzione di spostamento in entrambi condividono molti schemi di connettività, suggerendo che alcuni principi architettonici dei sistemi neurali sono conservati in tutto il regno animale'.

The recent findings gathered by this team of researchers could soon pave the way for studies looking for neural representations of heading direction in the brain of other vertebrates, such as different fish species, birds, amphibians, reptiles or even mammals. Collectively, these works could shed some interesting new light on how animals' decisions regarding where to travel are stored or represented in their brain.

'In our recent study, we discovered a network that encodes the heading direction signal,' Portugues added.

'We now plan to discover how this signal is generated, where this signal is transmitted to in the brain and how fish are using it to navigate the environment. Specifically, we would like to investigate what happens when the animal navigates towards a goal; how it is using the heading signal and what happens when this signal is impaired.'

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