Creierul musculițelor de oțet dezvăluie un secret surprinzător despre memoria umană

Cercetătorii au identificat la musculițele de oțet un circuit neuronal care păstrează amintirile pe termen scurt. Descoperirea oferă indicii importante despre modul în care funcționează memoria de lucru și despre felul în care creierul reține temporar informații, fără să le păstreze mai mult decât este necesar.

Când te uiți la un cod de securitate, poți reține cele câteva cifre suficient de mult timp cât să le introduci, după care le uiți. Deși pare un proces simplu, creierului îi este greu să mențină o informație activă pentru scurt timp și apoi să o elimine rapid. Un circuit neuronal suficient de stabil pentru a păstra o amintire riscă să fie, în același timp, dificil de oprit.

Creierul musculițelor de oțet dezvăluie un secret surprinzător

Un nou studiu realizat pe musculițe de oțet (Drosophila) sugerează că sistemul nervos poate evita această problemă printr-un mecanism de reglare. În centrul de navigație al insectei, un circuit funcționează prin două componente, dintre care una este ținută, de regulă, sub control. Atunci când această inhibiție dispare, circuitul fixează direcția în care se îndreaptă musca.

Cu alte cuvinte, mecanismul de inhibare acționează ca o poartă care stabilește când poate fi înregistrată o amintire.

Cercetarea a fost coordonată de laboratorul Katherine Nagel de la NYU Langone Health. Echipa a înregistrat activitatea cerebrală a musculițelor femele și a construit un model computerizat al circuitului neuronal, pornind de la o hartă a conexiunilor dintre celulele nervoase.

Mecanismul de control a fost identificat în modelul computerizat. Înregistrările cerebrale sunt compatibile cu explicația cercetătorilor, însă echipa nu a demonstrat încă direct mecanismul prin activarea și dezactivarea lui.

„Studiul nostru arată cum un circuit neuronal formează o memorie pe termen scurt ca răspuns la perceperea unui miros de către o muscă, permițându-i să rețină o direcție și să se deplaseze către un miros pe care îl dorește să îl țină minte”, a explicat Katherine Nagel, profesoară asociată în cadrul Departamentului de Neuroștiințe de la NYU Grossman School of Medicine.

Citește și: Animalele și alcoolul: de ce unele specii consumă fructe fermentate. Masculii de musculițe de fructe „beau” după ce sunt respinși

Cum își amintesc musculițele direcția unui miros

Pentru a observa comportamentul insectelor, cercetătorii au ținut fiecare musculiță într-un punct fix, deasupra unei mingi susținute de un curent de aer. Insecta putea merge pe suprafața acesteia, iar pașii săi puneau mingea în mișcare, fără ca musca să își schimbe efectiv poziția.

Un tub direcționa aerul către insectă și se rotea în funcție de mișcările acesteia. Astfel, curentul de aer părea să provină dintr-o direcție fixă, chiar și atunci când musculița își modifica orientarea.

La un moment dat, în timpul fiecărui test, cercetătorii au introdus în fluxul de aer un miros de oțet de mere. Musculițele s-au întors către sursa mirosului și au început să meargă împotriva curentului de aer, în direcția din care venea acesta.

Comportamentul a continuat câteva secunde chiar și după ce mirosul a dispărut. Tocmai această capacitate de a menține direcția în absența stimulului inițial reprezintă memoria pe termen scurt pe care echipa a încercat să o explice.

În timp ce insectele mergeau, cercetătorii au folosit un microscop pentru a înregistra activitatea celulelor dintr-o regiune cerebrală numită corpul în formă de evantai (fan-shaped body), implicată în navigație.

Studii anterioare realizate de același laborator arătaseră deja că un anumit tip de celule din această regiune este asociat cu păstrarea unei direcții-țintă.

Două tipuri de neuroni păstrează aceeași informație

În regiunea analizată, două tipuri de neuroni, numiți hΔK și PFG, sunt conectați între ei într-un circuit în buclă. Legăturile dintre aceste două populații de celule sunt mai numeroase decât celelalte conexiuni de tip buclă din aceeași zonă a creierului implicată în navigație.

Cercetătorii au analizat imagini ale activității neuronale obținute de la grupuri mici de musculițe: șase pentru celulele hΔK și 12 pentru cele PFG.

Când apărea mirosul de oțet, ambele tipuri de celule prezentau o creștere a activității într-un anumit punct al circuitului. Cercetătorii numesc această zonă activă „cocoașă” de activitate neuronală, iar poziția sa în circuit corespunde unei anumite direcții.

Activitatea se menținea atât timp cât musculița își păstra traiectoria după dispariția mirosului. Când semnalul se stingea, insecta avea tendința să se abată de la direcția aleasă în prezența mirosului.

Observațiile susțin o ipoteză formulată de mai multe decenii despre memoria de lucru: celulele nervoase care se stimulează reciproc într-un circuit închis pot menține activă o informație chiar și după dispariția stimulului care a declanșat-o.

Circuitul identificat la musculițe are o structură de bază asemănătoare cu cea a unui model publicat în anul 2000, conceput pentru a explica felul în care creierul maimuțelor păstrează temporar în minte o anumită poziție.

„Oamenii de știință au presupus de mult timp că o astfel de organizare stă la baza memoriei de lucru. Experimentele noastre confirmă existența acestei structuri și arată cum funcționează într-un context specific”, a declarat Nagel.

Citește și: De ce „droghează” oamenii de știință musculițele cu cocaină?

De ce sunt importante semnalele neuronale lente

Pentru a afla de unde provine activitatea care persistă după dispariția mirosului, echipa a înregistrat semnalele unor celule hΔK individuale folosind un electrod fin din sticlă.

Atunci când cercetătorii au aplicat direct un mic curent electric unei celule, aceasta a răspuns rapid, însă activitatea s-a oprit odată cu încetarea stimulării. Rezultatul sugerează că neuronii nu pot menține singuri semnalul pentru o perioadă mai lungă.

Lucrurile s-au schimbat când au fost stimulate celelalte celule conectate la ele în circuit. În acest caz, neuronii hΔK au prezentat o excitație lentă, care a continuat și după încheierea stimulării. Atunci când echipa a blocat transmiterea semnalelor de la celulele hΔK înapoi către circuit, răspunsul prelungit a dispărut.

În schimb, semnalele care inhibau neuronii hΔK acționau rapid.

Modelul computerizat, construit pe baza hărții conexiunilor neuronale ale musculiței, a arătat de ce această combinație este importantă. Atunci când excitația era rapidă, activitatea persistentă apărea doar într-un interval restrâns de condiții. O mică modificare putea face ca semnalul să dispară aproape imediat sau, dimpotrivă, să nu se stingă deloc.

În cazul excitației lente, o gamă mai largă de condiții permitea activității să scadă treptat. Modificări mici puteau regla durata semnalului.

Potrivit modelului, semnalele lente contribuie atât la stabilitatea memoriei, cât și la posibilitatea de a-i ajusta durata.

O parte a circuitului urmărește busola internă

Cele două componente ale circuitului nu funcționează întotdeauna în același fel. Neuronii PFG prezintă, de regulă, o zonă slabă de activitate care se deplasează de-a lungul circuitului atunci când musculița se întoarce, urmărindu-i direcția de deplasare.

Neuronii hΔK se comportă diferit: zona lor de activitate apare mai ales atunci când insecta merge în linie dreaptă, iar odată formată, tinde să rămână în aceeași poziție.

O parte a explicației se află în conexiunile dintre neuroni. Numai celulele PFG primesc semnale directe de la neuronii care funcționează ca o busolă internă a musculiței, ajutând-o să își stabilească orientarea.

Pentru a verifica acest mecanism, cercetătorii au schimbat cu 90 de grade direcția curentului de aer în timpul unui test. În multe cazuri, zona slabă de activitate a celulelor PFG s-a deplasat odată cu noua direcție a insectei. În schimb, atunci când semnalul era puternic, acesta tindea să rămână în poziția inițială.

Conform modelului, inhibarea celulelor hΔK permite neuronilor PFG să urmărească liber semnalele busolei interne. Când inhibiția este ridicată, circuitul fixează direcția curentă, transformând-o într-o amintire temporară.

Cercetătorii descriu această organizare drept o „rețea attractor divizată”: celulele PFG poartă informația care urmează să fie reținută, în timp ce neuronii hΔK contribuie la controlul momentului în care aceasta este păstrată.

Inhibiția scade atunci când apare mirosul

Dacă modelul este corect, celulele care inhibă neuronii hΔK ar trebui să fie active în cea mai mare parte a timpului, dar să își reducă activitatea atunci când musculița simte mirosul. De asemenea, activitatea lor ar trebui să crească atunci când insecta se întoarce.

Experimentele au susținut această ipoteză. Echipa a observat un grup de nouă celule de fiecare parte a creierului, denumite FB5V, care transmit semnale inhibitoare exclusiv către neuronii hΔK.

Activitatea celulelor FB5V a scăzut puternic în momentul în care a apărut mirosul de oțet și a rămas redusă cât timp musculița și-a continuat deplasarea în direcția aleasă. Activitatea a crescut în timpul întoarcerilor ample și a revenit la valori mai ridicate atunci când insecta s-a îndepărtat considerabil de direcția-țintă.

Cercetătorii au identificat și un al doilea grup de neuroni inhibitori, care se conectează la ambele componente ale circuitului. Activitatea acestora scădea atunci când se schimba direcția vântului, dar nu și atunci când apărea mirosul.

Autorii studiului presupun că acești neuroni ar putea contribui la activarea și dezactivarea simultană a ambelor componente ale circuitului, în loc să le regleze separat.

Ce urmează să testeze cercetătorii

Rezultatele provin din experimente realizate pe musculițe de oțet, iar mecanismul de control al memoriei reprezintă, deocamdată, o predicție a modelului computerizat, susținută de înregistrările cerebrale, dar care nu a fost demonstrată definitiv.

Există și posibilitatea ca o parte din activitatea neuronală persistentă să fie generată de circuite aflate în amonte, deoarece neuronii FB5V au rămas inactivi și după dispariția mirosului.

Următorul pas va fi testarea directă a mecanismului. Cercetătorii vor încerca să activeze și să dezactiveze neuronii FB5V pentru a vedea dacă pot determina circuitul să treacă de la urmărirea busolei interne la păstrarea unei direcții. Modelul computerizat permite formularea unor predicții despre schimbările care ar trebui să apară în fiecare situație.

„Musculița de oțet are un istoric remarcabil în ceea ce privește dezvăluirea mecanismelor biologiei umane într-un mod clar și simplu”, a spus Nagel. „Speranța mea este ca această cercetare să ne ofere o perspectivă asupra unor procese precum memoria de lucru, pe care până acum nu am avut instrumentele necesare să le studiem în profunzime.”

Laboratorul său intenționează să cerceteze în continuare modul în care circuitul este controlat pe intervale de timp diferite și să afle ce tipuri de informații urmăresc alte categorii de neuroni.

Studiul complet a fost publicat în revista științifică Nature.