Convergence, chemical transmission and co-location of sensory inputs on the C. elegans AIY interneuron: a connectome test of the semblance hypothesis

Il cervello è una macchina costruita per dare un senso al mondo, eppure uno dei suoi misteri più profondi rimane come una rete fisica di cellule possa dare origine a un'esperienza interiore privata. Sappiamo che i neuroni si connettono tra loro, trasmettendo segnali come impulsi elettrici o sussurri chimici per costruire le nostre percezioni e i nostri ricordi. Ma la mappa standard di queste connessioni, nota come connettoma, non ha ancora spiegato come il cervello crei la sensazione del "sé" o la specifica sensazione di un odore o di un gusto. Un'idea teorica chiamata ipotesi del semblanza propone un tassello mancante: che quando il cervello impara a collegare due cose, le minuscole estremità riceventi dei neuroni coinvolti potrebbero toccarsi fisicamente o collegarsi in modo da permettere loro di condividere i propri segnali direttamente. Se questo fosse vero, il cervello potrebbe generare il ricordo di una cosa semplicemente attivando la connessione a un'altra, creando una sensazione in prima persona senza che sia presente lo stimolo originale. Per testare se un tale meccanismo potesse esistere in un essere vivente, i ricercatori si sono rivolti a una creatura con un sistema nervoso abbastanza semplice da poter essere mappato completamente, ma abbastanza complesso da poter imparare e ricordare.

Il soggetto di questa indagine è il nematode C. elegans, un minuscolo organismo con esattamente 302 cellule nervose nel suo corpo adulto. Gli scienziati hanno già ricostruito l'intero diagramma di cablaggio del sistema nervoso di questo verme utilizzando potenti microscopi elettronici, creando una mappa tridimensionale di ogni connessione tra ogni neurone. In questo studio, i ricercatori si sono concentrati su una parte specifica del cervello del verme chiamata anello nervoso, che contiene circa 180 di questi neuroni. Erano particolarmente interessati a come il verme impara ad associare diversi sensi, come collegare l'odore del cibo al suo sapore, o la sensazione della temperatura con una posizione specifica. La teoria che stavano testando suggeriva che, affinché queste associazioni possano avvenire, le cellule nervose che percepiscono cibo, odore e temperatura dovrebbero convergere su un singolo neurone ricevente, e che le connessioni tra di esse dovrebbero essere chimiche piuttosto che elettriche. Inoltre, se la teoria fosse corretta, le minuscole estremità riceventi di questi nervi sensoriali dovrebbero essere impacchettate strettamente insieme in punti specifici di quel neurone ricevente, quasi a toccarsi, per consentire la condivisione diretta dei segnali.

I ricercatori hanno esaminato tre diverse mappe completamente ricostruite dell'anello nervoso del verme per vedere se i nervi sensoriali per il cibo, l'odore e la temperatura incontrassero effettivamente i punti previsti dalla teoria. Hanno scoperto che i nervi che percepiscono il cibo, i nervi che percepiscono gli odori e i nervi che percepiscono la temperatura dirigevano la stragrande maggioranza delle loro connessioni verso un singolo interneurone chiamato AIY. Questa convergenza era molto più specifica di quanto la probabilità permetterebbe; questi nervi sensoriali non disperdevano le loro connessioni casualmente tra i molti neuroni disponibili, ma si concentravano intensamente su questo unico bersaglio. Inoltre, i ricercatori hanno controllato il tipo di connessioni che questi nervi effettuavano. Sebbene il sistema nervoso del verme contenga un mix di collegamenti elettrici e chimici, le connessioni da questi nervi sensoriali sul neurone AIY erano quasi interamente chimiche. Questa distinzione è cruciale perché il meccanismo proposto per la creazione di sensazioni interne si basa sulla trasmissione chimica, che permette i cambiamenti specifici e flessibili necessari per l'apprendimento, piuttosto che sulla natura rigida e immediata delle connessioni elettriche.

La parte più sottile del test consisteva nel cercare la prossimità fisica. Poiché i nervi del verme non possiedono le complesse strutture ramificate tipiche degli animali più grandi, i ricercatori hanno cercato luoghi in cui le estremità riceventi di diversi nervi sensoriali atterrassero esattamente sullo stesso punto del neurone AIY. Hanno scoperto che i nervi che percepiscono il cibo erano effettivamente raggruppati insieme in alcuni luoghi specifici su un lato del neurone AIY, apparendo molto più vicini tra loro di quanto la probabilità casuale prevederebbe. Questo raggruppamento non è stato osservato per i nervi che percepiscono l'odore o la temperatura, né vi è stato alcun raggruppamento speciale dove i nervi di sensi diversi, come cibo e odore, si incontravano. Questo schema suggerisce che il cervello abbia una struttura stabile e integrata per l'elaborazione della sensazione del cibo, fondamentale per la sopravvivenza, mentre i legami tra diversi sensi, come cibo e odore, possono essere più temporanei e flessibili, formandosi solo quando l'animale apprende una nuova associazione e forse dissolvendosi quando non sono più necessari.

Lo studio ha anche rivelato una simmetria elegante nel modo in cui questi nervi sono disposti. I nervi che percepiscono il cibo sui lati destro e sinistro del corpo del verme atterravano sul neurone AIY secondo un modello a specchio, con i nervi del lato sinistro più vicini al corpo cellulare su un lato e quelli del lato destro più vicini sull'altro. Questi due lati del neurone sono collegati alle loro estremità distali da un ponte diretto, che permette ai segnali di passare tra di loro. Questa disposizione, combinata con i cicli di feedback in cui il neurone AIY invia segnali indietro ai nervi sensoriali, suggerisce un circuito che potrebbe oscillare o alternarsi in ritmo, aiutando potenzialmente il verme a navigare nel suo ambiente confrontando gli input da entrambi i lati. Tuttavia, i ricercatori sono stati cauti nel notare che, sebbene queste caratteristiche strutturali corrispondano alle previsioni della teoria, non sono una prova del fatto che il meccanismo funzioni effettivamente. Le mappe mostrano che i nervi sono abbastanza vicini da toccarsi, ma non possono dimostrare che siano effettivamente collegati o che stiano condividendo segnali nel modo descritto dalla teoria.

In definitiva, questo lavoro fornisce una solida base strutturale per una teoria su come il cervello crei sensazioni interne, mostrando che il sistema nervoso del verme è organizzato in modo tale da rendere possibile un simile meccanismo. Le scoperte confermano che gli input sensoriali convergono su un bersaglio specifico, che utilizzano il corretto tipo di trasmissione chimica e che si raggruppano in un modo che potrebbe consentire l'interazione diretta. Eppure, l'assenza di un raggruppamento simile per le associazioni apprese tra diversi sensi suggerisce che questi legami non siano elementi permanenti nel cervello del verme, ma siano probabilmente dinamici e mutevoli. Per confermare davvero la teoria, gli scienziati dovrebbero osservare queste connessioni in animali vivi che apprendono e dimostrare che interrompendo questa specifica disposizione si impedisce al verme di percepire o ricordare. Per ora, la mappa del cervello del verme offre uno sguardo affascinante sull'architettura fisica che potrebbe sottostare ai primissimi passi dell'esperienza conscia.