Mild and Reversible Proprioception Perturbation Suggests Causal Biomechanics for Memory-Dependent Spatial Behavior in Mice

Ogni volta che attraversate una stanza senza guardare i vostri piedi, o allungate la mano per prendere una tazza al buio, il vostro cervello sta eseguendo un calcolo complesso. Non si affida solo a ciò che vedono i vostri occhi; sta costantemente tracciando la posizione delle vostre membra e la tensione dei vostri muscoli. Questo senso interno, noto come propriocezione, agisce come un GPS silenzioso, permettendo al cervello di sapere dove si trova il corpo nello spazio anche a occhi chiusi. Per la navigazione, questo senso è fondamentale. Gli animali, compresi gli esseri umani, utilizzano questi segnali interni per aggiornare la propria mappa mentale del mondo mentre si muovono, un processo chiamato integrazione del percorso. È così che un topo può ritrovare la strada per tornare a un nido nascosto in un labirinto privo di caratteristiche distintive, o come una persona possa camminare verso una porta familiare in un corridoio buio. Tuttavia, comprendere esattamente come questo senso interno contribuisca alla navigazione è stato un problema ostico per gli scienziati. Gli strumenti per studiarlo sono stati troppo rudimentali; spegnere il senso della posizione del corpo di solito impedisce all'animale di muoversi del tutto, rendendo impossibile capire se il fallimento della navigazione sia dovuto a una mancanza di movimento o a una mancanza di consapevolezza spaziale.

Un team di ricercatori dell'Academia Sinica e della National Taiwan University ha sviluppato un nuovo modo per sbirciare in questo processo senza interrompere la capacità dell'animale di muoversi. Hanno creato un metodo per interrompere temporaneamente e delicatamente i segnali propriocettivi provenienti dai muscoli delle zampe di un topo, quel tanto che basta per confondere la mappa mentale del cervello ma non abbastanza da impedire al topo di camminare. Utilizzando uno strumento genetico specializzato che fa illuminare specifiche cellule nervose quando viene introdotta una sostività chimica, sono stati in grado di introdurre "rumore" nel senso della posizione del corpo per circa venti minuti. Hanno poi posto questi topi in un ambiente di realtà virtuale in cui dovevano trovare un premio nascosto usando solo la memoria di quanto avevano corso. I risultati hanno mostrato che, quando il senso interno di movimento veniva leggermente rimescolato, i topi diventavano meno precisi nel indovinare dove si trovasse il premio, anche se riuscivano ancora a correre e a mantenere l'equilibrio perfettamente. Ciò suggerisce che il cervello si affida pesantemente a questi sottili segnali muscolari per costruire la sua mappa mentale dello spazio, e che questo sistema può essere testato e compreso senza causare danni permanenti o paralisi totale.

I ricercatori hanno iniziato affrontando un ostacolo importante nelle neuroscienze: come manipolare un senso specifico senza influenzare gli altri. I metodi tradizionali, come la rimozione genetica della capacità di percepire la posizione muscolare, spesso lasciano gli animali incapaci di camminare correttamente, il che rende impossibile separare i problemi di navigazione da quelli di movimento. Per risolvere il problema, il team si è rivolto a una tecnica chiamata luminopsina, che combina la precisione del controllo basato sulla luce con la praticità di un innesco chimico. Hanno allevato topi che trasportavano un gene specifico nelle loro cellule nervose propriocettive — quelle situate nei gangli della radice dorsale, che fungono da stazioni di rilancio per le informazioni sensoriali dal corpo al cervello. Queste cellule sono state ingegnerizzate per produrre una proteina che brilla quando incontra una specifica sostanza chimica chiamata coelenterazina.

Per testare questo sistema, gli scienziati hanno iniettato la sostanza chimica direttamente nei grandi muscoli delle zampe dei topi, prendendo in bersaglio specificamente i muscoli che controllano il passo. Hanno utilizzato una dose elevata della sostanza chimica, 7,2 milligrammi per chilogrammo di peso corporeo, e l'hanno iniettata nei muscoli prossimali, come il quadricipite e i muscoli ischiocrurali, che sono critici per la meccanica del cammino. Hanno anche sviluppato un modo per iniettare i topi mentre erano svegli ma delicatamente immobilizzati, evitando l'uso di anestesia che avrebbe potuto offuscare i risultati. In pochi secondi, la sostanza chimica ha innescato le cellule nervose affinché sparassero in modo erratico, inviando segnali falsi al cervello sulla posizione delle zampe. I ricercatori hanno utilizzato un sistema di telecamere sensibili per misurare il bagliore di queste cellule e hanno scoperto che l'effetto durava circa venti minuti prima di svanire. Questo ha fornito una finestra perfetta per testare le capacità di navigazione dei topi mentre il loro senso interno di movimento era temporaneamente confuso.

Prima di testare la capacità di navigazione dei topi, il team ha dovuto assicurarsi che l'iniezione della sostanza chimica non rendesse semplicemente i topi stanchi, ansiosi o incapaci di muoversi. Hanno eseguito una serie di test standard. In un campo aperto, i topi si muovevano liberamente e i loro percorsi venivano tracciati per vedere se fossero più esitanti o ansiosi del solito. I risultati non hanno mostato differenze significative nel modo in cui si muovevano o esploravano lo spazio. Hanno anche posto i topi su un bastone rotante per testare il loro equilibrio e coordinazione, e su una trave stretta per vedere se riuscivano a camminare senza cadere. In questi test, i topi si sono comportati esattamente come il gruppo di controllo, dimostrando che le loro capacità motorie grossolane e la capacità di equilibrio rimanevano intatte. Hanno persino testato la motivazione dei topi vedendo quanto impegno mettessero per ottenere un premio di acqua zuccherata, e ancora una volta, i topi trattati erano altrettanto desiderosi degli altri. Questi esperimenti di controllo sono stati vitali perché hanno dimosttato che la sostanza chimica non stava causando debolezza generale o confusione, ma stava prendendo di mira specificamente il senso interno della posizione del corpo.

La vera prova arrivò quando i topi furono posti in un setup di realtà virtuale. I topi erano fissati alla testa, il che significa che le loro teste erano tenute ferme, mentre correvano su un tapis roulant che muoveva una pista virtuale davanti a loro. La pista era una lunga linea retta senza punti di riferimento o indizi visivi per aiutarli. A una distanza specifica lungo la pista, c'era una zona premio nascosta. I topi dovevano imparare a correre una certa distanza e poi fermarsi per leccare un port per ottenere una goccia di acqua zuccherata. Questo compito richiedeva ai topi di utilizzare l'integrazione del percorso: dovevano contare i propri passi e sentire il movimento delle proprie zampe per sapere quanto avevano viaggiato. I ricercatori hanno addestrato i topi per diverse settimane finché non sono stati in grado di fermarsi costantemente nel punto giusto.

Una volta che i topi erano diventati esperti nel compito, i ricercatori hanno introdotto l'iniezione della sostanza chimica. Hanno aspettato l'inizio della finestra di effetto di venti minuti, poi hanno osservato come i topi si comportavano. I risultati sono stati chiari e specifici. Quando i segnali propriocettivi erano rimescolati, i topi commettevano un errore distinto nella loro navigazione. Invece di fermarsi esattamente nella zona del premio, tendevano a fermarsi più avanti, superando l'obiettivo di una media di 9,2 centimetri. Questo spostamento avveniva anche se i topi correvano alla stessa velocità e con lo stesso ritmo di prima. L'iniezione della sostanza chimica non li aveva resi incapaci di svolgere il compito o di perdere la motivazione; aveva semplicemente interrotto il calcolo interno della distanza. I topi stavmente cercando di trovare il premio, ma il loro righello interno per misurare la distanza era diventato leggermente impreciso.

I ricercatori hanno anche osservato quanto fossero costanti i punti di arresto dei topi. Hanno scoperto che i topi trattati non erano solo fuori bersaglio di una quantità fissa, ma i loro punti di arresto diventavano leggermente più variabili da una corsa all'altra. Ciò suggerisce che il rumore introdotto dalla sostanza chimica rendeva l'ipotesi del cervello sulla posizione meno certa. Interessantemente, quando i ricercatori hanno utilizzato dosi inferiori della sostanza chimica o l'hanno iniettata nei muscoli più piccoli delle parti inferiori delle zampe, non hanno visto questi errori di navigazione. Ciò ha indicato che l'effetto dipendeva sia dalla forza del segnale che dalla posizione dei muscoli presi in bersaglio. I grandi e potenti muscoli delle parti superiori delle zampe sembravano essere la fonte chiave dei segnali che il cervello utilizza per questo specifico tipo di navigazione.

Questo studio fornisce uno sguardo raro sul legame causale tra sensazione corporea e memoria spaziale. Dimostrando che una lieve e temporanea interruzione della propriocezione porta a errori specifici nella navigazione, i ricercatori hanno dimostrato che il cervello si affida a questi segnali muscolari per aggiornare la sua mappa del mondo. Il fatto che i topi potessero ancora camminare, mantenere l'equilibrio e camminare su una trave mentre fallivano nel compito di navigazione prova che queste due funzioni sono distinte. Il cervello può gestire la meccanica del movimento mentre il senso interno della posizione è temporaneamente rimescolato, ma la capacità di sapere "dove sono" ne risente. Questa scoperta sfida l'idea che la navigazione sia un processo puramente visivo o centrale del cervello; conferma che lo stato fisico del corpo è una parte fondamentale di come il cervello costruisce lo spazio.

L'approccio utilizzato in questo studio offre un nuovo strumento per gli scienziati per esplorare il cervello. Poiché l'effetto è reversibile e dura solo per un breve periodo, i ricercatori possono testare lo stesso animale prima e dopo la perturbazione, eliminando la necessità di gruppi diversi di animali. Questo metodo potrebbe essere applicato ad altre domande su come il corpo influenza la mente, come ad esempio come percepiamo la nostra stessa dimensione o come apprendiamo nuovi movimenti. I ricercatori hanno osservato che, sebbene il loro metodo funzionasse bene per questo compito specifico, potrebbe non essere abbastanza forte da interrompere tutti i tipi di propriocezione, e che il lavoro futuro potrebbe perfezionare la tecnica per mirare ad altre vie nervose. Tuttavia, il traguardo fondamentale rimane: hanno trovato un modo per abbassare delicatamente il volume del GPS interno del corpo per vedere cosa succede quando il segnale è debole, rivelando che questo segnale è essenziale per la capacità del cervello di navigare nel mondo.