ECCO PERCHÉ I NEURONI GPS HANNO VINTO IL NOBEL

Ne "L'uomo che scambiò sua moglie per un cappello" uno dei più popolari neurofiosologi al mondo, Oliver Sacks, descrive con grande bravura la terribile ma a tratti anche umoristica realtà e componente umana di alcuni casi clinici particolari che gli è capitato di incontrare nella sua esperienza come neurologo di una casa di cura statunitense.

Persone che, seppure con differenze individuali, avevano subito danni alla propria capacità di percepire e muoversi nel mondo. 

John O’Keefe, May-Britt Moser e Edvard Moser

 Bishop, UCL and Kavli Institute, NTNU, CC-BY-SA-3.0 via Wikimedia Commons

Noi diamo per scontate molte delle abilità di cui siamo capaci: ad esempio come facciamo a sapere dove siamo? Come possiamo trovare la strada da un luogo ad un altro? E come possiamo memorizzare queste informazioni in modo tale che possiamo trovare immediatamente la strada la prossima volta che tracciamo lo stesso percorso? 

Quest'anno il Premio Nobel per la medicina o la fisiologia è stato assegnato a tre persone che hanno scoperto un sistema di posizionamento, una specie di "GPS interno" nel nostro cervello, che permette di orientarci nello spazio, dimostrando l'esistenza di una base cellulare con una funzione cognitiva superiore.

Fu nel 1971 che John O'Keefe, premiato ieri con il massimo riconoscimento, scoprì il primo componente di questo sistema di posizionamento: un tipo di cellule nervose in una zona del cervello chiamata ippocampo di un topo si attivava quando questo era in un certo luogo in una stanza. Altre cellule nervose erano attivate ​​solo quando il ratto era in altri luoghi. O'Keefe ha concluso che queste "cellule" formavano una mappa della stanza.

Più di tre decenni dopo, nel 2005, i coniugi May-Britt e Edvard Moser hanno scoperto un altra componente chiave del sistema di posizionamento del cervello. Hanno identificato così un altro tipo di cellule nervose, che hanno chiamato "cellule griglia" che sono in grado di generare un sistema di coordinate e consentono un posizionamento preciso in un determinato luogo. La loro successiva ricerca ha mostrato come le "cellule luogo" (space cell) e "griglia" consentono di determinare la posizione e permettono di muoversi nello spazio.

Le scoperte di John O'Keefe, May-Britt Moser e Edvard Moser hanno risolto un problema che ha occupato i filosofi e gli scienziati per secoli:  come fa il cervello a creare una mappa dello spazio che ci circonda e muoversi attraverso un ambiente?

Più di 200 anni fa, perfino il filosofo tedesco Immanuel Kant sosteneva che esistono alcune abilità mentali come una conoscenza a priori, indipendente dall'esperienza. Egli considerava il concetto di spazio come principio integrato della mente, quella attraverso la quale il mondo è e deve essere percepito.

Con l'avvento della psicologia comportamentale nella metà del XX secolo, queste domande poterono essere affrontate sperimentalmente. Quando il neocomportamentista Edward Tolman esaminò il movimento dei ratti che si muovono attraverso labirinti, egli scoprì che potevano imparare a spostarsi, e ha supposto l'esistenza di una "mappa cognitiva" nel cervello che permettesse loro di trovare la strada. Ma c'erano ancora domande aperte: come tale mappa poteva essere rappresentata nel cervello?

John O'Keefe e il luogo nello spazio

John O'Keefe era affascinato dal problema di come il cervello controllasse il comportamento e decise, alla fine del 1960, che avrebbe potuto trovare la risposta alla sua domanda con metodi neurofisiologici.

Quando registrò segnali provenienti da singole cellule nervose in una parte del cervello chiamata ippocampo nei ratti che si muovono liberamente in una stanza, O'Keefe scoprì che alcune cellule nervose venivano attivate quando l'animale prendevo posto in un particolare luogo di un ambiente.

Poteva dimostrare che queste cellule luogo non erano attivate semplicemente in seguito a un input visivo, ma stavano costruendo su una mappa interna di quell'ambiente. O'Keefe concluse dunque  che l'ippocampo genera numerose mappe, rappresentata dall'attività collettiva delle cellule di posizione che si attivano in ambienti diversi. Pertanto, il ricordo di un ambiente può essere memorizzato come una combinazione specifica di attività cellulari che hanno luogo nell'ippocampo.

May-Britt e Edvard Moser trovano le coordinate spaziali

May-Britt e Edvard Moser hanno scoperto un modello sorprendente di attività in una parte del cervello chiamata corteccia entorinale, una  mappatura dei collegamenti con l'ippocampo in ratti che si muovono in un ambiente.

Alcune cellule venivano attivate quando il topo passava in più posizioni disposte in una griglia esagonale (Figura 2). Ognuna di queste cellule veniva attivata secondo un modello spaziale unico e collettivamente queste "cellule griglia" costituivano un sistema di coordinate che permetteva la navigazione spaziale. Insieme ad altre cellule della corteccia entorinale che riconoscono la direzione della testa e il bordo della stanza, formano circuiti con le cellule di posizione nell'ippocampo. Questo circuito costituisce un sistema globale di posizionamento, un GPS interno, nel cervello (Figura 3).

Un posto per le mappe nel cervello umano

Recenti indagini con tecniche di brain imaging, così come studi di pazienti sottoposti a neurochirurgia, hanno fornito la prova che esistono cellule di posizione anche negli esseri umani. Nei pazienti con malattia di Alzheimer, l'ippocampo e la corteccia entorinale sono spesso colpiti in una fase iniziale, e queste persone spesso perdono la loro strada e non sono in grado di riconoscere l'ambiente. La conoscenza del sistema di posizionamento nel cervello può, quindi, aiutare a comprendere il meccanismo alla base della devastante perdita di memoria spaziale che colpisce le persone con questa malattia.

La scoperta del sistema di posizionamento del cervello rappresenta un cambiamento di paradigma nella nostra comprensione di come gruppi di cellule specializzate lavorano insieme per eseguire le funzioni cognitive superiori. Esso apre nuove strade per la comprensione di altri processi cognitivi, come la memoria, il pensiero e la pianificazione.

Pubblicazioni: 

O'Keefe, J., and Dostrovsky, J. (1971). The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely‐moving rat. Brain Research 34, 171-175.

O´Keefe, J. (1976). Place units in the hippocampus of the freely moving rat. Experimental Neurology 51, 78-109.

Fyhn, M., Molden, S., Witter, M.P., Moser, E.I., Moser, M.B. (2004) Spatial representation in the entorhinal cortex. Science 305, 1258-1264.

Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser, M.B., and Moser, E.I. (2005). Microstructure of spatial map in the entorhinal cortex. Nature 436, 801-806.

Sargolini, F., Fyhn, M., Hafting, T., McNaughton, B.L., Witter, M.P., Moser, M.B., and Moser, E.I. (2006). Conjunctive representation of position, direction, and velocity in the entorhinal cortex. Science 312, 758-762.