Dal Nobel Institute nuove acquisizioni sul controllo del movimento
ROBERTO COLONNA
NOTE
E NOTIZIE - Anno XII – 22 febbraio 2014.
Testi pubblicati sul sito
www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind
& Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a
fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta
settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in
corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento rientra negli
oggetti di studio dei soci componenti lo staff
dei recensori della Commissione
Scientifica della Società.
[Tipologia del testo:
RECENSIONE]
La locomozione sul pianeta terra obbedisce a delle regole di base che accomunano tutte le specie animali e, pertanto, rimane un oggetto di studio privilegiato negli animali più semplici per la soluzione degli enigmi ancora irrisolti nella fisiologia del movimento. In molte specie vertebrate e invertebrate sono stati descritti comandi motori discendenti fasicamente modulati in sincronia con movimenti ritmici. Il ruolo fisiologico di questa modulazione è stato oggetto di numerosi studi, ma è rimasto enigmatico.
Alexander
Kozlov e colleghi del Nobel Institute for Neurophysiology hanno compreso il
modo in cui la modulazione fasica
delle vie discendenti da parte del generatore centrale di movimento del
midollo spinale consente una funzione ottimale di guida direzionale dell’attività locomotoria senza bisogno di
regolatori (Kaufman M. T., et al., cortical activity in the null
space: permitting preparation without movement. Proceedings of the National Academy of Sciences
USA – Epub ahead of print
doi: 10.1073/pnas.1401459111, 2014).
La provenienza degli autori dello
studio è la seguente: Nobel Institute for Neurophysiology, Department of
Neuroscience, Karolinska Institutet, Stockholm (Svezia); School of Computer
Science and Communication, Royal Institute of Technology, Stockholm (Svezia).
Il controllo neurale dei movimenti negli animali vertebrati è basato su un insieme di moduli, come le reti del generatore centrale di movimento (CPG, da central pattern generator networks) del midollo spinale che coordinano la locomozione. Un aspetto di fondamentale importanza è che il feedback sensoriale non è necessario alle reti del CPG per generare il pattern di movimento appropriato, così come non sembra sia indispensabile un controllo dettagliato da parte dei centri cerebrali di più alto livello funzionale.
I neuroni reticolospinali del tronco encefalico sono in grado sia di attivare la rete locomotoria, sia di convogliare segnali provenienti dalle formazioni cerebrali situate ad un livello più elevato della gerarchia di controllo funzionale come, ad esempio, la segnalazione che comanda di svoltare a destra o a sinistra, determinando l’orientamento direzionale della marcia o del nuoto dell’animale. Tali segnali di guida della direzione provengono, in genere, dal tetto ottico, corrispondente al collicolo superiore della nostra lamina quadrigemina. Un incremento tonico della conduzione eccitatoria di fondo dei neuroni reticolospinali sarebbe sufficiente a produrre nell’animale un’attività locomotoria ben coordinata. Numerose osservazioni hanno documentato che, sia nei vertebrati sia negli invertebrati, i sistemi discendenti sono inoltre fasicamente modulati a causa del feedback derivante dall’attività in corso del CPG.
Tanto premesso, i ricercatori dell’Istituto dedicato ad Alfred Nobel, hanno usato la lampreda come modello per indagare il ruolo di questa modulazione fasica dell’attività reticolo-spinale, perché le reti neuroniche del tronco encefalico e del midollo spinale, in questo vertebrato filogeneticamente antico ma modello neurofunzionale delle specie più recenti, sono conosciute fino al livello del singolo neurone. Per questi esperimenti è stato impiegato un modello computazionale di grande scala e biofisicamente dettagliato della rete “tronco encefalico-midollo spinale” della lampreda. In particolare, la simulazione era costituita da 19.600 modelli di cellule nervose con 648.800 giunzioni sinaptiche.
Kozlov e colleghi hanno descritto come la modulazione fasica dell’attività reticolo-spinale da parte del CPG assicuri comandi affidabili di svolta e cambio di direzione senza bisogno di una precisa temporizzazione di on (continua) o offset (devia).
Per verificare che la rete neurale simulata possa controllare i movimenti del corpo, inclusi i cambi di direzione, l’attività spinale è stata trasmessa ad un fedele modello meccanico del nuoto della lampreda, realizzato presso il Royal Institute of Technology di Stoccolma. Le simulazioni hanno anche consentito di prevedere che, in contrasto con le cellule nervose reticolospinali, i neuroni tettali responsabili dei comandi che determinano il tenere una rotta o effettuare un cambio direzionale, devono avere proprietà adattative a frequenza minimale; tale previsione è stata confermata sperimentalmente.
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