La ricerca sul cervello ha rivelato che i topi hanno immaginazione

Gli autori della ricerca hanno affermato che studi futuri di questo tipo potrebbero portare alla scoperta di modi per ripristinare o migliorare la funzione cerebrale comprendendo le intenzioni di una persona, e forse potrebbero espandere la nostra comprensione dell’amnesia.

Il lavoro si basa su precedenti scoperte scientifiche che rivelano che nel profondo del cervello degli animali e degli esseri umani è presente un proprio sistema di posizionamento globale (GPS). Questo GPS interno si trova nell’ippocampo, un’area che svolge un ruolo chiave nella memoria e nell’immaginazione, e traduce luoghi ed eventi in schemi di attivazione dei neuroni, un segnale che le cellule cerebrali stanno comunicando. Questi schemi vengono poi archiviati nel cervello e utilizzati per navigare nel mondo di tutti i giorni.

Le cellule specializzate che svolgono questo lavoro, note come celle di luogo e di griglia, fungono da elementi cruciali che ci permettono di ricordare il passato e immaginare il futuro. I tre scienziati che hanno scoperto le cellule hanno ricevuto il premio 2014 Premio Nobel per la fisiologia o la medicina Per rivelare funzioni considerate “essenziali per la nostra esistenza”.

“Possiamo stare a letto la notte, chiudere gli occhi e collocarci nel passato o nel futuro”, ha detto Zhongxi Lai, autore principale del nuovo articolo e ricercatore post-dottorato presso l’Howard Hughes Medical Institute, ora con sede presso l’Università di Beth. Centro medico Israel Deaconess di Boston.

L’immaginazione è fondamentale per l’innovazione, ha continuato Lai. “Ogni invenzione avviene due volte: nella mente dell’inventore e poi nel mondo reale.”

In un articolo del 1948, allora scienziato presso l’Università della California Edward C. Tolman Supponiamo che i topi abbiano una mappa interna del loro ambiente. Tuttavia, fino al nuovo studio, i ricercatori non erano stati in grado di dimostrare che un ratto potesse effettivamente controllare quella mappa e usarla per pensare a un luogo diverso da quello in cui si trovava in quel momento specifico.

“Questo è un passo molto importante”, ha detto Gyorgy Buzsaki, professore di neuroscienze al Langone Medical Center della New York University, che non è stato coinvolto nello studio. “L’ippocampo ha la reputazione di essere il GPS del cervello e molti di noi vorrebbero sapere come farlo [what happens there] Tradotto in passi.”

Sebbene sia logico che il segnale iniziale per immaginare un luogo provenga dall’ippocampo, ha detto Buzsaki, è “estremamente difficile” determinare se un’azione abbia origine in una parte del cervello piuttosto che in un’altra. Gli autori dell’articolo scientifico si sono concentrati sulle cellule situate nell’ippocampo. Le cellule della griglia, l’altra parte importante del GPS, vivono in un’area profonda del cervello chiamata corteccia entorinale, che si trova vicino all’ippocampo.

Come leggere la mente di un topo

Gli esperimenti descritti in dettaglio nel documento di Science hanno richiesto agli scienziati di costruire da zero macchine in grado di leggere la mappa interna di un topo e poi di tradurla, per determinare cosa sta pensando il topo in un dato momento.

Lai ha iniziato a lavorare al progetto nove anni fa dopo essere arrivato al campus di ricerca Janelia dell’istituto ad Ashburn, in Virginia. Alla fine disse ai suoi due coautori dell’articolo – il suo consigliere Timothy Harris, un membro senior, e Albert Lee, un ricercatore dell’Howard Hughes Medical Institute – che aveva idee che avrebbero permesso loro di verificare se un animale poteva pensare.

Ci sono voluti solo dai quattro ai cinque anni per costruire un “rilevatore di pensiero” in tempo reale per i topi, ha detto Lai.

I ricercatori hanno quindi dovuto progettare esperimenti che prendessero in considerazione i compiti che i roditori potevano svolgere. Inizialmente, a ogni topo erano stati impiantati piccoli elettrodi in 128 punti specifici del cervello. Gli elettrodi sono stati poi collegati a un dispositivo che legge l’attività cerebrale del topo e apprende i modelli specifici generati mentre il topo si sposta da un luogo all’altro. In ciascun sito, il cervello del topo ha prodotto uno schema unico di cellule diverse che si attivano a vari livelli di intensità.

Il mouse è stato sospeso con i piedi che toccavano un tapis roulant a forma di palla, permettendogli di muoversi attraverso un’arena di realtà virtuale. Mentre il topo si muoveva, gli elettrodi registravano la sua attività cerebrale.

Gli scienziati hanno dovuto addestrare i topi a correre verso un segnale visivo in un’arena virtuale 2D: un oggetto simile a una torre che rimbalza. Quando i roditori percepivano il segnale, ricevevano come ricompensa acqua zuccherata.

Anche la macchina doveva essere addestrata. La macchina ha imparato a leggere l’attività cerebrale del topo e a tradurla in posizioni specifiche nell’arena virtuale.

Per i test di “teletrasporto”, gli scienziati hanno poi scollegato il tapis roulant dall’arena della realtà virtuale. Ora il mouse non può più usare i piedi per muoversi nell’arena. Il topo doveva invece immaginare un luogo lontano per raggiungere quella destinazione e ottenere la ricompensa.

Nel secondo test, il mouse ha dovuto nuovamente immaginare una specifica posizione remota, questa volta per spostare un oggetto virtuale in quella posizione. Durante tutta la prova il ratto rimase in una posizione fissa nell’arena.

“La cosa sorprendente è che lo imparano così velocemente”, ha detto Lee, che ora lavora al Beth Israel Deaconess Medical Center. Ha detto che il rapido apprendimento dei topi suggerisce che è relativamente normale per un animale pensare a un luogo diverso dalla sua posizione reale.

Mentre tre dei quattro topi testati erano in grado di eseguire gli esperimenti, il quarto no. Ci sono diverse possibili spiegazioni per il fallimento dell’IV, ha detto Lee. Ad esempio, il topo potrebbe aver subito lievi danni all’ippocampo.

“Questo è piuttosto complicato [task]”Non tutti gli animali potrebbero essere in grado di farlo”, ha detto. “Il fatto che tre animali su quattro lo abbiano fatto così bene suggerisce che esiste una capacità molto forte nei topi di immaginare luoghi remoti”.