Modelli di attivazione spaziotemporale nel corso dell’elaborazione tattile nella corteccia sensoriale
Il cervello elabora informazioni sensoriali multimodali nello spazio e nel tempo, consentendoci di percepire il mondo che ci circonda, di reagire allo stesso e persino di effettuare previsioni al riguardo. Mentre questa integrazione ed elaborazione sensoriale è ben nota a livello di regioni cerebrali, essa risulta meno chiara in termini di singoli neuroni, trattandosi di una risoluzione da lungo tempo inaccessibile in animali vigili che rispondono a esperimenti comportamentali. Con il sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie (MSCA), il progetto EnlightenedLoom ha studiato le risposte fornite da singoli neuroni eccitatori della corteccia somatosensoriale agli stimoli tattili impiegando una combinazione di metodi comportamentali, ottici e computazionali.
Rendere visibili «navette lampeggianti» grazie all’immaginografia bi-fotonica del calcio
Mariangela Panniello, borsista MSCA attiva nel gruppo «approcci ottici al funzionamento cerebrale», guidato dal suo supervisore Tommaso Fellin, presso l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), ha scelto le parole di Charles Sherrington, uno dei padri della neurofisiologia moderna, per intitolare il progetto: «Rapidamente la massa della testa diventa un telaio incantato dove milioni di navette lampeggianti tessono uno schema dissolvente…», scrisse nel 1942, anticipando molto di ciò che oggi i neuroscienziati hanno la fortuna di vedere grazie a quanto reso possibile dai progressi tecnologici. L’immaginografia bi-fotonica del calcio consente di registrare l’attività simultanea di grandi popolazioni di neuroni offrendo una risoluzione a livello di singola cellula. Per i suoi esperimenti di immaginografia, Panniello ha progettato e collaudato un paradigma comportamentale nuovo, più controllato e specifico rispetto agli approcci convenzionali, ovvero una ruota che gira a diverse velocità e direzioni contro i baffi di un topo. «I dati di immaginografia bi-fotonica del calcio che ho prodotto grazie al mio nuovo paradigma comportamentale per lo studio della percezione tattile costituiranno un nuovo modello di riferimento nell’analisi dell’elaborazione somatosensoriale», osserva la ricercatrice.
Effetti della noradrenalina sull’elaborazione sensoriale della corteccia
Nella corteccia cerebrale, i modelli di attivazione spaziotemporale dei neuroni eccitatori vengono modulati da altri neuroni e neurotrasmettitori in base al contesto e all’esperienza. Panniello ha studiato la noradrenalina e il potenziale ruolo da essa svolto nell’elaborazione di stimoli tattili noti e inaspettati nella corteccia sensoriale. «La sonda per la noradrenalina che ho utilizzato, nLight, è uno strumento nuovo e potente che permette di studiare l’interazione esistente attività di spike e neuromodulazione in tempo reale, con una risoluzione spaziale senza precedenti. Ho dimostrato che questa soluzione è abbastanza sensibile e specifica da poter essere impiegata nell’ambito di esperimenti di immaginografia bi-fotonica del calcio, il che costituisce un obiettivo ricercato da lungo tempo», afferma Panniello. Le significative sfide tecniche relative alla sensibilità degli attuali sensori volti a rilevare la noradrenalina hanno impedito la raccolta combinata di dati relativi all’immaginografia del calcio e alla noradrenalina nel corso dello svolgimento del progetto; ciononostante, Panniello ha gettato le basi per superare queste sfide e condurre esperimenti di immaginografia combinata in futuro.
Teoria dell’informazione e corteccia somatosensoriale primaria
Panniello ha inoltre introdotto un nuovo approccio di osservazione neurocomputazionale dell’elaborazione somatosensoriale. «Applicando per la prima volta la teoria dell’informazione allo studio dell’elaborazione tattile nella corteccia somatosensoriale primaria, ho rivelato che i neuroni di questa regione sono in grado di rappresentare non solo le caratteristiche di base degli oggetti sensoriali, come posizione, rugosità o forma, ma anche le informazioni relative alla percezione degli oggetti presentati all’animale.» Il manoscritto relativo a questi risultati è stato pubblicato di recente. Gli studi multidisciplinari svolti da Panniello sull’elaborazione tattile nella corteccia sensoriale offrono una nuova prospettiva sul ruolo rivestito dalla corteccia sensoriale nell’elaborazione delle informazioni. Oltre a costituire un punto di riferimento per i nuovi studi, essi gettano le basi per la comprensione della funzione svolta da queste regioni nelle patologie neurologiche e per la progettazione di interventi a esse mirati.
Parole chiave
EnlightenedLoom, corteccia sensoriale, neuroni, noradrenalina, immaginografia bi-fotonica del calcio, neuromodulazione, elaborazione tattile, neuroni eccitatori, percezione, somatosensoriale, nLight