Scienza e Medicina

I segreti della memoria: come “salviamo” le informazioni

21 marzo 2019 | Scritto da Francesco Tamagnini

La capacità di apprendimento e la memoria sono funzioni chiave del nostro cervello: quali sono i loro meccanismi?

La memoria e l’apprendimento sono le funzioni chiave del cervello, che ci permettono di sopravvivere come individui e specie, consentendoci di interagire in modo più efficace con l’ambiente. La memoria inoltre definisce le nostre identità individuali. Nel romanzo “Cent’anni di solitudine” di Gabriel García Marquez, gli abitanti del villaggio immaginario di Macondo vengono colpiti da una piaga che porta alla cancellazione della memoria. Non riescono a ricordare il nome degli oggetti, né la loro funzione. Per far fronte a questa perdita, uno dei cittadini inizia ad etichettare le cose, fino a che non dimentica definitivamente il significato di parole e lettere che sembrano scarabocchi senza senso.

La memoria tra cinema e libri. La letteratura e i film solleticano la nostra immaginazione e ci aiutano a capire, grazie al potere del mito, i pilastri concettuali attraverso cui guardiamo il mondo: uno di questi è la memoria. Ad esempio, in “Memento” di Chris Nolan, il protagonista cerca vendetta per la moglie uccisa, ma non riesce a organizzare i ricordi per più di pochi minuti. Questa storia è basata sul famoso caso del paziente HM, il quale soffriva di una forma molto rara di epilessia, originata dalla funzione alterata di entrambi i lobi temporali, rimossi quasi completamente nel 1957 con un’operazione chirurgica che mantenne intatte le funzioni cognitive e motorie ma causò la perdita della sua capacità di consolidare nuova memoria. Sono le strutture del lobo temporale, quindi, le responsabili della conversione della memoria a breve e a lungo termine.
Il caso del paziente M.L., che ha sofferto di pura amnesia retrograda a seguito di un trauma cranico, può essere considerato un esempio reale del personaggio Jason Bourne, l’agente super segreto del romanzo di Ludlum, interpretato sul grande schermo da Matt Damon. In effetti, M.L. non riusciva a ricordare nulla di ciò che accadeva prima della lesione cerebrale, ma poteva apprendere nuovi fatti e la sua memoria procedurale (il know-how) era intatta. Aveva ancora un senso di familiarità con tutto ciò che precedentemente aveva sperimentato (sapendo) senza essere in grado di ricordare che cosa fosse (ricordando).

La memoria, definizione e classificazioni. Secondo il dizionario di Oxford, la memoria è “la facoltà con cui la mente memorizza e ricorda le informazioni”. La definizione è vera ma la realtà è molto più complessa. Infatti, può essere per esempio divisa in due categorie, a breve e a lungo termine.
La prima, nota anche come memoria di lavoro, è molto importante per immagazzinare informazioni necessarie all’esecuzione di un’attività specifica. Per esempio, quando cucino un uovo è importante sapere se ho aggiunto sale o pepe, se mi piacciono saporite. Tuttavia, solo alcune memorie a breve termine vengono successivamente convertite in memorie a lungo termine. Tornando al nostro uovo, il giorno dopo, potrei non ricordare quanto sale ho aggiunto o quale pentola ho usato ma probabilmente ricorderò il fatto che ho cucinato le uova.
La memoria a lungo termine, invece, si divide a sua volta in implicita o esplicita. La prima è inconscia ed include la memoria procedurale / motoria (know-how) e il condizionamento. La memoria esplicita, invece, si riferisce al significato generale delle cose oppure a fatti ed eventi specifici. I casi di H.M. e M.L. mostrano come questi diversi tipi di memoria siano legati all’attività di specifiche aree cerebrali.

Le aree del cervello. L’ippocampo, che si trova nel lobo temporale, è coinvolto nella generazione della memoria a lungo termine ma non nella sua conservazione, come evidenzia il caso di H.M. D’altra parte, l’esempio di M.L. suggerisce che le connessioni tra i lobi temporale e prefrontale (la parte del cervello appena sotto la fronte) sono essenziali per il recupero della memoria a lungo termine. Ciò rafforza l’idea, ancora non pienamente confermata ma fortemente supportata dai dati sperimentali, che i ricordi non sono memorizzati nel cervello come i libri su uno scaffale, ma sono sparsi in diverse parti di esso. A livello neurobiologico ci sono gli elementi per pensare che ricordare un’esperienza è molto simile a riviverla realmente.
Come può questa massa di carne e sangue – il cervello – essere la responsabile dei nostri ricordi, delle nostre emozioni, della definizione del nostro vero “io”?” La risposta non è ancora chiara. Tuttavia, oltre un secolo di indagini scientifiche sulle basi biologiche della cognizione, memoria e apprendimento, hanno permesso di iniziare a far luce su questo intricato, affascinante e sublime puzzle.

Come funziona? Il cervello funziona come un relè di informazioni incredibilmente complicato. Riceve informazioni su ciò che ci circonda attraverso gli organi sensoriali (occhi, orecchie, naso, lingua, articolazioni, pelle, ecc.) i quali convertono l’energia associata a diversi stimoli ambientali in impulsi elettrochimici che possono essere utilizzati dal cervello. Se qualcosa tocca la nostra pelle, per esempio, certe terminazioni nervose specifiche, chiamate corpi Pacini, trasformano l’energia associata alla pressione, nell’impulso elettrico, spostando le particelle elettriche sui due lati della membrana plasmatica, che delimita la cellula. Quando è a riposo, la membrana plasmatica delle cellule nervose ha un potenziale elettrico negativo, che se eccitato da stimoli esterni, può incrementare la sua positività, fino ad arrivare a un picco elettrico, chiamato potenziale d’azione.
Le cellule sensoriali attivate elettricamente rilasciano una sostanza, chiamata neurotrasmettitore, su altre cellule nervose, che funzionano come il primo “collegamento” tra la pelle e il cervello. Il neurotrasmettitore lega i recettori su queste cellule, inducendo la depolarizzazione della membrana plasmatica fino a quando viene evocato un altro potenziale di azione. Questa sequenza di attivazione elettrica dei neuroni e rilascio di neurotrasmettitori è nota come neurotrasmissione sinaptica ed è il sistema più comunemente utilizzato dalle informazioni per viaggiare attraverso il cervello. Il neurotrasmettitore che rilascia la cellula è chiamato pre-sinaptico, quello che lo riceve, post-sinaptico.
La prima tappa per l’informazione sensoriale, invece, è il talamo, un relè di informazioni chiave che le riceve dagli organi sensoriali e le redistribuisce alle strutture superiori, come la corteccia cerebrale. L’informazione sensoriale viene anche trasmessa alle strutture temporali e all’ippocampo, dove può essere utilizzata per generare nuova memoria a lungo termine.

Quello che (non) sappiamo. Cosa succede nell’ippocampo? Come può quella sequenza di potenziali azioni e rilascio di neurotrasmettitori che è stata associata alla sensazione del tatto, essere trasformata in un ricordo che possiamo immagazzinare e successivamente ricordare? La verità è che, ancora una volta, non sappiamo chiaramente come funzioni. Ho lavorato sull’ippocampo e su altre aree temporali per quasi 15 anni, ma non riesco ancora a capire come il nostro operato possa chiarirci le idee sulla formazione della memoria. Tuttavia, all’inizio degli anni ’70, due giovani e talentuosi neuroscienziati, Bliss e Lømo, in un esperimento, notarono che il potenziale elettrico evocato artificialmente nell’ippocampo di un coniglio, prima e dopo una stimolazione ad alta frequenza (100 impulsi in un secondo) delle cellule nervose che rilasciano il glutammato, aveva ampiezze diverse, il secondo potenziale era più grande del primo (aumento della trasmissione sinaptica). Poichè il potenziale elettrico è rimasto invariato per ore, forse per giorni, lo hanno chiamato potenziamento a lungo termine della trasmissione sinaptica, noto anche come LTP, una forma di cosiddetta “plasticità sinaptica” che corrisponde alla capacità del connettore sinaptico di subire cambiamenti nel modo in cui trasmette le informazioni, in base alle sue esperienze precedenti.

Le caratteristiche fondamentali dell’LTP sono:
1) la associativita’ , il che significa che il potentziale evocato continua ad aumentare se vengono erogate ulteriori stimolazioni ad alta frequenza, fino ad arrivare alla saturazione.
2) la reversibilità, poiché la sua ampiezza può essere riportata ai valori originali attraverso un processo chiamato depotenziamento.
3) la specificità: l’LTP sarà indotta solo nelle sinapsi in cui si ha una stimolazione ad alta frequenza.

Queste sono le stesse caratteristiche del modello matematico di apprendimento, chiamato Hebbiano, sviluppato da Donald Hebb negli anni ’40. Ancora più affascinante è il fatto che LTP si basi sui cambiamenti della composizione proteica delle cellule nervose e sull’attivazione / silenziamento di alcuni geni, coinvolti nel consolidamento della memoria. In seguito all’induzione della LTP, le ramificazioni delle cellule nervose aumentano, e si popolano di piccoli germogli, chiamati spine sinaptiche, specializzati nel legare il neurotrasmettitore.
Si può dire, quindi, che il consolidamento di una memoria è un evento che coinvolge ogni singolo aspetto della fisiologia del cervello: dal modello di attività di reti complesse di cellule nervose, al cambiamento della struttura delle singole, fino all’espressione di proteine ​​specifiche. Tuttavia, le operazioni di questa complicata macchina, il cervello umano, rimangono un mistero: dal ricordo di un filo d’erba a quello del nostro primo bacio.

Conosci te stesso. Yνῶθι σεαυτόν, è la scritta che troviamo nel piazzale del Tempio di Apollo a Delfi, dice Pausania. Conosci te stesso. Forse uno degli obiettivi più alti per ogni essere umano.
Forse, svelare il mistero dell’LTP e comprenderne meglio la sua relazione con la memoria, significherebbe qualcosa in più che conoscere una funzione fisiologica, ci potrebbe permettere di scoprire piu’ di noi stessi e della nostra natura.

La ricerca continua.

Francesco Tamagnini
Francesco Tamagnini

Laureato in Biotecnologie Farmaceutiche e PhD in Neurofisiologia, titoli conseguiti presso l’Università di Bologna. Dal settembre 2017, è professore assistente in Farmacologia all’University of Reading. In questi ultimi anni ha stabilito una collaborazione con l’Università di San Marino e l’Istituto Sicurezza Sociale che punta, insieme al team della dr.ssa Susanna Guttmann, a sviluppare l’elettroencefalografia come sistema diagnostico precoce, economico e non invasivo per la malattia di Alzheimer.

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