Memoria-immagine credit public domain.
Qual è il substrato fisico che permette ai ricordi di persistere in un cervello strutturalmente dinamico? Lin e colleghi hanno indotto un’ibernazione artificiale dopo una sessione di apprendimento per identificare il substrato fisico della ritenzione della memoria nei topi. L’ibernazione ha ridotto l’attività neuronale e ha portato a una sostanziale eliminazione di spine dendritiche e sinapsi nell’ippocampo. È interessante notare che, dopo il recupero, la memoria è stata preservata e gli autori hanno identificato sottogruppi di sinapsi engramma-engramma spazialmente raggruppate che sono state preservate in modo preferenziale. Inoltre, più dell’80% delle spine dendritiche eliminate sono ricomparse nelle loro posizioni originali dopo il recupero. I risultati suggeriscono che gli engrammi sinaptici sono fondamentali per la conservazione della memoria.
Comprendere come i ricordi vengono immagazzinati nel cervello è una delle sfide centrali delle neuroscienze. Si ritiene generalmente che i cambiamenti a lungo termine nelle connessioni sinaptiche forniscano la base strutturale della memoria. Tuttavia, studi recenti hanno rivelato che le sinapsi possono essere altamente dinamiche, con spine dendritiche che compaiono e scompaiono frequentemente, rappresentazioni neuronali che si modificano nel tempo e ricordi che rimangono recuperabili anche dopo che connessioni sinaptiche precedentemente rafforzate vengono interrotte. Queste osservazioni sollevano una domanda fondamentale: come possono i ricordi rimanere stabili nonostante un esteso rimodellamento strutturale delle reti neuronali?
L’ibernazione fornisce un potente modello sperimentale per esaminare le basi strutturali della stabilità della memoria. Durante l’ibernazione, l’attività neuronale si riduce drasticamente e una grande frazione di sinapsi scompare, eppure i ricordi rimangono intatti quando gli animali tornano alle normali condizioni fisiologiche. Per studiare come la memoria venga preservata in condizioni di rimodellamento della rete neuronale così estreme, abbiamo utilizzato un modello murino di ibernazione artificiale che consente l’induzione controllata di questo stato ipometabolico e ipotermico. Abbiamo anche confrontato questa condizione con una manipolazione diversa che induce la perdita di sinapsi insieme al deterioramento della memoria. Analizzando l’attività neuronale, la struttura sinaptica e la connettività in queste condizioni contrastanti, ci siamo proposti di identificare le caratteristiche strutturali che supportano la ritenzione della memoria.
RISULTATI
L’ibernazione artificiale ha causato una profonda riduzione dell’attività neuronale ed eliminato più della metà delle sinapsi ippocampali. Nonostante questi cambiamenti strutturali su larga scala, i topi hanno conservato i ricordi acquisiti in precedenza e preservato le rappresentazioni neuronali dell’esperienza. Inoltre, durante l’ibernazione artificiale si è verificata una forma di rimodellamento sinaptico finora sconosciuta: le spine dendritiche sono state eliminate indipendentemente dalle loro dimensioni, ma molte sono ricomparse nelle stesse posizioni dendritiche dopo il recupero. In particolare, le connessioni sinaptiche tra i neuroni che codificano la memoria si sono organizzate in gruppi spazialmente raggruppati. Questi gruppi erano spesso associati a bottoni assonali multisinaptici, formando una caratteristica architettonica distintiva, e si sono conservati preferenzialmente durante il processo di rimodellamento. Al contrario, quando la perdita di sinapsi è stata indotta in condizioni che compromettono la memoria, questa organizzazione a gruppi è stata interrotta.
CONCLUSIONE
Questi risultati rivelano che la memoria può rimanere stabile nonostante una diffusa perdita di sinapsi e identificano le connessioni sinaptiche raggruppate tra i neuroni che codificano la memoria come una caratteristica strutturale associata alla ritenzione della memoria. Piuttosto che affidarsi esclusivamente alla forza delle singole sinapsi, il cervello potrebbe immagazzinare i ricordi attraverso un’architettura strutturale di ordine superiore incorporata nelle reti neuronali.
Astratto
I ricordi lasciano cambiamenti fisici duraturi a livello sinaptico. Sebbene si ritenga che le spine dendritiche più grandi e stabili supportino la memoria, l’elevato ricambio delle spine dendritiche e la deriva delle rappresentazioni neuronali dopo la formazione della memoria suggeriscono possibilità alternative. Per chiarire la traccia strutturale alla base della ritenzione della memoria, abbiamo utilizzato un modello murino di ibernazione artificiale. Durante l’ibernazione, i neuroni dell’ippocampo hanno mostrato una sostanziale riduzione della loro attività e un’estesa eliminazione di spine dendritiche e sinapsi. Nonostante questi cambiamenti, la loro memoria e le relative rappresentazioni neuronali ippocampali sono rimaste intatte. Abbiamo scoperto che un sottoinsieme di spine caratterizzate da contatti sinaptici con bottoni multisinaptici viene mantenuto durante l’ibernazione. Questi risultati suggeriscono che l’architettura dell’engramma sinaptico, piuttosto che le spine più grandi di per sé, sia resiliente al rimodellamento della rete e associata alla ritenzione della memoria a lungo termine.
