Automatic orofacial behaviors remap within cortical substrates for voluntary motor control in freely moving primates
Questo studio dimostra che, nei macachi in movimento libero, i circuiti corticali tipicamente associati al controllo motorio volontario vengono attivamente reclutati per modulare e dare forma ai comportamenti oro-facciali automatici come lo sbadiglio, rivelando un substrato neurale condiviso dove dinamiche di popolazione distinte governano sia le azioni facciali automatiche che quelle volontarie.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Per secoli, gli scienziati hanno tracciato una linea netta tra due tipi di movimento. Da un lato ci sono le azioni automatiche e istintive che sembrano accadere senza pensiero, come uno sbadiglio improvviso o un lampo di rabbia che contrae la mascella. Queste sono spesso ritenute cablate profondamente nel cervello, in circuiti antichi che operano indipendentemente dalla nostra volontà conscia. Dall'altro lato ci sono le azioni volontarie, come scegliere di sorseggiare dell'acqua o mordere una mela, che si affidano alla corteccia esterna del cervello per pianificare ed eseguire comandi precisi. La visione consolidata era che questi due sistemi corressero su binari separati: il cervello profondo gestiva i riflessi, mentre la corteccia superficiale gestiva le scelte. Ma questa separazione lascia un mistero. Se una scimmia può sbadigliare automaticamente, perché può anche scegliere di nascondere i denti mentre sbadiglia, o combinare lo sbadiglio con un suono specifico? Ciò suggerisce che il cervello conscio possa essere in grado di scendere e modificare questi schemi automatici, eppure nessuno sapeva come funzionasse questo collegamento o dove avvenisse.
Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di risolvere questo enigma ascoltando il cervello di una scimmia mentre si muoveva liberamente. Si sono concentrati sulle cortecce motorie ventrale e premotoria, le aree della superficie cerebrale responsabili del controllo del movimento. Invece di immobilizzare gli animali in una sedia da laboratorio, il che limita il comportamento naturale, gli scienziati hanno dotato due macachi con dispositivi di registrazione wireless. Questi dispositivi hanno permesso di monitorare l'attività elettrica di 640 diversi punti del cervello mentre le scimmie vagavano nelle loro gabbie e in una speciale stanza di osservazione. I ricercatori hanno cercato quattro comportamenti specifici: sbadigli e display di minaccia, che sono largamente automatici, e il mordere e il bere, che sono volontari. Volevano vedere se le stesse cellule cerebrali che aiutavano la scimmia a bere il succo si attivassero anche quando sbadigliava e, in caso positivo, come cambiassero il suo comportamento.
I risultati hanno rivelato un sorprendente livello di sovrapposizione. Quando le scimmie sbadigliavano, i ricercatori hanno scoperto che 169 punti specifici nel cervello mostravano un distinto schema di attività elettrica, con un calo di una banda di frequenza seguito da un picco in un'altra. Ancora più importante, hanno isolato 401 singole cellule nervose e hanno scoperto che 95 di esse si attivavano durante lo sbadiglio. Queste non erano cellule casuali; erano principalmente cellule piramidali di medie dimensioni, il tipo noto per inviare segnali ai muscoli. Fondamentalmente, queste stesse cellule erano attive anche quando la scimmia mordeva o beveva volontariamente. Ciò significa che il cervello non utilizzava un team di cellule separato e dedicato per lo sbadiglio. Invece, reclutava le stesse identiche cellule che usava per le azioni volontarie.
Tuttavia, il modo in cui queste cellule si comportavano cambiava a seconda dell'azione. Quando una scimmia sbadigliava, le cellule che di solito si attivavano per chiudere la bocca durante un morso volontario a volte si attivavano per aprire la bocca durante lo sbadiglio, opponendosi efficacementamente al modello automatico. Altre cellule si attivavano in sincronia con il movimento automatico, rafforzandolo. Ciò suggerisce che il cervello non stia solo guardando l'automatico sbadiglio accadere; sta attivamente plasmando lo sbadiglio, usando segnali volontari per accelerare, rallentare o alterare la forma del movimento automatico. I ricercatori hanno confermato questo legame causale stimolando delicatamente questi specifici punti cerebrali con piccole correnti elettriche. Quando hanno stimolato i punti che si attivavano durante lo sbadiglio, la bocca e il viso della scimmia si sono mossi, provando che queste cellule hanno il potere di controllare direttamente i muscoli.
Al contrario, la risposta del cervello ai display di minaccia era diversa. Sebbene alcune cellule si attivassero durante una minaccia, erano di gran lunga meno numerose rispetto a quelle coinvolte nello sbadiglio. Inoltre, queste cellule mantenevano il loro lavoro originale: se una cellula si attivava per aprire la bocca durante un morso volontario, si attivava anche per aprire la bocca durante una minaccia. Non cambiavano ruolo né contrastavano il movimento. Ciò indica che, mentre il cervello può rimodellare in modo flessibile uno sbadiglio, lascia quasi intatto il rapido display di minaccia automatico, forse perché accade troppo velocemente per essere modificato dal pensiero conscio.
Lo studio ha anche esaminato il quadro generale di come queste cellule cerebrali lavorano insieme come gruppo. Mappando l'attività di tutte le cellule contemporaneamente, i ricercatori hanno visto che le azioni volontarie come mordere e bere seguivano percorsi lunghi e distinti nello spazio dell'attività cerebrale. Le azioni automatiche come lo sbadiglio e la minaccia seguivano percorsi più brevi e compatti, vicini tra loro ma comunque distinti dalle azioni volontarie. Anche se i comportamenti automatici utilizzavano un gruppo di cellule condiviso e più piccolo, il cervello riusciva comunque a distinguerli l'uno dall'altro e dalle azioni volontarie. Questo significa che il cervello possiede un sistema flessibile in cui può estrarre gli stessi strumenti dalla sua cassetta degli attrezzi per costruire cose diverse. Può usare i centri di controllo volontario per guidare delicatamente uno sbadiglio automatico, permettendo all'animale di adattare un istinto profondo alla situazione sociale corrente, mantenendo al contempo l'identità distinta di ciascun comportamento.
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