I pipistrelli usano le stesse cellule cerebrali per mappare i mondi fisici e sociali | Rivista Quanti

Un pipistrello della frutta appeso all'angolo di una grotta si muove; è pronto a muoversi. Esamina lo spazio per cercare un trespolo libero e poi prende il volo, regolando le sue ali membranose per avvicinarsi ad un punto vicino a uno dei suoi simili pelosi. Mentre lo fa, i dati neurologici raccolti dal suo cervello vengono trasmessi ai sensori installati nelle pareti della grotta.

Questa non è una grotta balsamica lungo il Mar Mediterraneo. Il gruppo di pipistrelli della frutta egiziani si trova a Berkeley, in California, e sta esplorando una grotta artificiale in un laboratorio che i ricercatori hanno allestito per studiare il funzionamento interno delle menti degli animali.

I ricercatori hanno avuto un'idea: mentre un pipistrello si sposta nel suo ambiente fisico, naviga anche in una rete di relazioni sociali. Volevano sapere se i pipistrelli usano le stesse o diverse parti del cervello per mappare queste realtà intersecate.

In un nuovo studio pubblicato in Natura in agosto, gli scienziati hanno rivelato che queste mappe si sovrappongono. Le cellule cerebrali che informano un pipistrello sulla propria posizione codificano anche dettagli su altri pipistrelli nelle vicinanze: non solo la loro posizione, ma anche la loro identità. I risultati sollevano l’interessante possibilità che l’evoluzione possa programmare quei neuroni per molteplici scopi per soddisfare i bisogni di specie diverse.

I neuroni in questione si trovano nell’ippocampo, una struttura nel profondo del cervello dei mammiferi coinvolta nella creazione di ricordi a lungo termine. Si ritiene che una popolazione speciale di neuroni dell'ippocampo, noti come cellule di luogo, crei un sistema di navigazione interno. Identificate per la prima volta nell'ippocampo del ratto nel 1971 dal neuroscienziato John O'Keefe, le cellule del luogo si attivano quando un animale si trova in una posizione particolare; celle di luogo diverse codificano luoghi diversi. Questo sistema aiuta gli animali a determinare dove si trovano, dove devono andare e come arrivare da qui a lì. Nel 2014, O'Keefe è stato insignito del Premio Nobel per la sua scoperta delle cellule placentari, che negli ultimi decenni sono state identificate in numerose specie di primati, compreso l'uomo.

Tuttavia, spostarsi da un luogo all'altro non è l'unico modo in cui un animale può sperimentare un cambiamento nell'ambiente circostante. Nella vostra casa, le pareti e i mobili rimangono per lo più gli stessi giorno dopo giorno Michael Yartsev, che studia le basi neurali del comportamento naturale presso l'Università della California, Berkeley e ha co-diretto il nuovo lavoro. Ma il contesto sociale del tuo spazio vitale potrebbe cambiare abbastanza regolarmente.

"Se le persone entrano, si muovono, interagiscono", ha detto Yartsev. Il luogo in cui si trovano queste persone e la natura della tua relazione con ciascun individuo influenza il modo in cui ti sposterai nello spazio. "L'ambiente spaziale è molto dinamico, ma non perché i muri si muovono", ha detto.

Yartsev pensava che, poiché l’ambiente sociale è una caratteristica in continua evoluzione dell’ambiente fisico, le informazioni su di esso potrebbero essere codificate in celle place. Ma nessun test diretto era mai stato eseguito in un ambiente altamente sociale, come in una colonia di pipistrelli della frutta.

"Questo particolare aspetto [dell'ambiente], che è così inerente a tutte le nostre vite, non era mai stato studiato prima", ha detto Yartsev.

Per ottenere informazioni su come il cervello potrebbe navigare nell'ambiente sociale, Yartsev e il suo collega post-dottorato Angelo Forlì guardarono ai pipistrelli della frutta egiziani, che avevano precedentemente utilizzato negli studi sul cablaggio di navigazione del cervello.

Nel laboratorio di Yartsev hanno costruito una grotta artificiale: una stanza di volo grande quanto un soggiorno progettata per misurare l'attività cerebrale dei pipistrelli monitorandone il comportamento. Da cinque a sette pipistrelli alla volta erano liberi di volare per la stanza, rivestita di schiuma fonoassorbente e dotata di trespoli e frutta da mangiare. Per seguire i movimenti 3D precisi dei pipistrelli, i ricercatori hanno dotato collari di accelerometri e tag mobili – modificati dai sistemi utilizzati per tracciare i pacchi all'interno dei magazzini – che comunicavano con sensori installati nelle pareti della stanza. Il team ha anche impiantato minuscoli elettrodi nel cervello dei pipistrelli per registrare in modalità wireless l’attivazione dei neuroni dell’ippocampo mentre gli animali volavano intorno al loro recinto e interagivano tra loro.

I ricercatori hanno messo tutti questi sforzi elaborati nel loro apparato sperimentale in modo da poter studiare le interazioni sociali spontanee dei pipistrelli, che presumibilmente sarebbero simili a quelle sperimentate in natura. Ciò significava in gran parte lasciare i pipistrelli a se stessi senza l’ingerenza umana.

“L’idea era semplicemente quella di portare gli esseri umani fuori dalla stanza”, ha detto Yartsev, e lasciare che i pipistrelli facessero quello che fanno normalmente.

Come previsto, le celle di un dato pipistrello hanno cambiato la loro attività in base alla posizione del pipistrello nella grotta. Alcune cellule posizionate sparavano più frequentemente quando il pipistrello si trovava in un punto particolare, mentre altre aumentavano la loro accensione quando il pipistrello si trovava da qualche altra parte.

Anche la presenza o l'assenza di altri pipistrelli ha influenzato l'attivazione dei neuroni. Quando un pipistrello si avvicinava per un atterraggio, le cellule del luogo si comportavano in modo diverso a seconda che ci fosse o meno un posatoio nel sito di atterraggio. Inoltre, i neuroni sembravano codificare l’identità di specifici pipistrelli, distinguendo gli amici dai conoscenti. Se un pipistrello atterrava vicino a uno stretto contatto sociale, i neuroni si comportavano diversamente rispetto a quando atterrava vicino a un pipistrello con cui non trascorreva molto tempo.

In breve, il sistema di navigazione dei pipistrelli sembrava svolgere il doppio compito di mappa sociale. I mammiferi non si limitavano a muoversi nella loro casa, ma utilizzavano anche le stesse cellule cerebrali per tracciare chi si trovava nei locali.

"[I ricercatori] sono fuori dal parco per quanto riguarda lo studio della neuroscienza di un comportamento naturale", ha detto il neuroscienziato comportamentale Andy Alessandro dell’Università della California, Santa Barbara, che non è stata coinvolta nello studio.

La scoperta ha immediatamente suscitato dubbi sul fatto se questo riutilizzo delle cellule dell’ippocampo si applichi oltre ai pipistrelli della frutta egiziani nell’evoluzione del cervello sociale. L’ippocampo è un’antica struttura cerebrale: è altamente conservato tra i mammiferi con diversi stili di vita e gradi di socialità, dagli ornitorinchi in gran parte solitari alle persone altamente comunitarie. È possibile che il sistema di navigazione dell'ippocampo registri l'ambiente sociale in modo simile tra le specie. Tuttavia, è altrettanto possibile che i circuiti del luogo abbiano sviluppato questo duplice scopo solo nel pipistrello della frutta egiziano. Solo ulteriori ricerche potranno colmare le lacune.

I risultati vanno oltre la mappa sociale. Si adattano anche al concetto di selettività mista, ha detto Alexander: l'idea che sia più efficiente dal punto di vista computazionale per i singoli neuroni codificare più caratteristiche dell'ambiente.

In questo senso, ha detto Forlì, l’ippocampo può essere come una potente scheda grafica in un computer, che può avere molti usi, dal rendering della grafica per i videogiochi all’esecuzione di calcoli di apprendimento automatico. L'ippocampo può essere abile in particolari tipi di calcoli e può avere la capacità di essere modificato o programmato dall'evoluzione.

"Normalmente pensiamo che l'ippocampo abbia queste cellule [di luogo] che codificano particolari posizioni nello spazio", ha detto Alexander. "Ma penso che stiamo scoprendo sempre di più che in realtà è altamente adattivo e flessibile, e che l'ippocampo codificherà per ogni sorta di cose a seconda di ciò che gli presenti."

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