1) Codifica delle informazioni visive e somatosensoriali nella
corteccia associativa visiva e somatosensoriale
2) Codifica delle informazioni oculomotorie da parte di singole
cellule della corteccia parietale posteriore
3) Codifica dei movimenti di prensione da parte di cellule
nervose nella corteccia parietale posteriore
4) Acquisizione di attività bioelettrica di gruppi di neuroni
della corteccia parietale posteriore durante compiti visuomotori
per simulazioni con modelli matematici.
5) Messa a punto di un sistema di registrazione real
time dell'attività bioelettrica dei neuroni corticali
6) Analisi dei sistemi di riferimento utilizzati dai neuroni
della corteccia parietale posteriore durante movimenti di
raggiungimento.
1) Codifica delle informazioni visive nella corteccia
associativa visiva e somatosensoriale
Lo spazio visivo viene codificato mediante informazioni visive
che vengono analizzate con modalità di complessità crescente
partendo dall'area visiva primaria, punto di primo ingresso in
corteccia di tali informazioni. Con questa ricerca si è voluto
analizzare come le informazioni visive vengono analizzate da una
porzione della corteccia visiva associativa.
In particolare, si è voluto studiare le modulazioni visive nelle
aree corticali V6, V6A e PEc e si è voluto vedere se in queste aree
è presente una topografia visiva. I risultati ottenuti hanno
mostrato che tutti i neuroni studiati dell'area V6 sono modulati
dalle stimolazioni visive e la maggior parte di essi è modulata
dalla direzione e dall'orientamento dello stimolo visivo. Inoltre,
l'area V6 è organizzata retinotopicamente. Invece, l'area V6A
contiene sia neuroni visivi che neuroni non visivi; inoltre, ci
sono neuroni in V6A modulati dal movimento degli arti. Infine, la
V6A non è organizzata retinotopicamente. Anche l'area PEc contiene
neuroni visivi, nell'incidenza del 53%. La maggior parte delle
cellule visive della PEc sono modulate da stimoli scuri, a
differenza delle altre aree visive, come la V6 e la V6A, in cui gli
stimoli luminosi sono più efficaci. In particolare, uno stimolo
visivo molto efficace per le cellule della PEc è rappresentato da
figure che si ingrandiscono e si rimpiccioliscono. La PEc sembra
non possedere una retinotopia. Questi risultati indicano che le
aree associative V6, V6A e PEc analizzano in modo diverso le
informazioni visive: la V6 sembra essere coinvolta nella codifica
dello spazio visivo per localizzare gli oggetti con cui interagire,
la V6A sembra essere più direttamente implicata nel controllo
motorio e la PEc sembra essere correlata alla codifica delle
fluttuazioni dello spazio visivo che si possono avere ad esempio
durante la locomozione.
2) Codifica delle informazioni somatosensoriali da parte di
singole cellule della corteccia parietale posteriore
Il controllo motorio prevede un forte intervento delle
informazioni visive per codificare caratteri e posizione spaziale
dei bersagli visivi con cui interagire; inoltre, tale controllo
prevede anche il monitoraggio dei movimenti corporei. Si è voluto
indagare se le aree V6A e PEc della corteccia parietale posteriore
fossero coinvolte in tale tipo di compiti. La ricerca ha avuto come
obiettivo principale l'individuazione di neuroni sensibili alla
stimolazione somatosensoriale.
Nelle aree V6A e PEc sono stati trovate cellule
somatosensoriali. In particolare, il 30% dei neuroni della V6A
studiati sono somatosensoriali. Le stimolazioni, per essere
efficaci, dovevano essere fatte sul braccio o su parti del corpo
vicine al braccio. Nell'area PEc il 56% dei neuroni è attivabile
con stimolazioni somatosensoriali applicate sul braccio o su altre
parti del corpo, compresi gli arti inferiori. In entrambe le aree
studiate non è stata osservata una somatotopia. Questi neuroni,
insieme ai neuroni visivi presenti in queste aree, potrebbero
essere coinvolti nel monitoraggio della posizione degli arti
durante i movimenti di raggiungmento con le braccia di bersagli
visivi.
3) Codifica delle informazioni visive e somatosensoriali
nell'ambito di una stessa cellula della corteccia parietale
posteriore
L'area PEc della corteccia parietale posteriore contiene cellule
somatosensoriali e cellule visive; inoltre, questa area contiene
anche cellule bimodali, cioè neuroni riceventi sia informazioni
visive che somatosensoriali. In particolare, il 22% delle cellule
saggiate sono bimodali e sono distribuite in tutta l'estensione
dell'area. Le caratteristiche visive e somatosensoriali di queste
cellule non differiscono significativamente dalle caratteristiche
delle cellule unimodali. La localizzazione dei campi recettivi
visivi e somatosensoriali delle cellule bimodali non sembra essere
in registro.
4) Codifica delle informazioni oculomotorie da parte di singole
cellule della corteccia parietale posteriore
Saggiando i neuroni dell'area V6A con movimenti oculari
saccadici è emerso che esistono in questa regione neuroni modulati
da tali movimenti oculari. In particolare, il 25% dei neuroni
saggiati aveva attività bioelettrica correlata ai movimenti oculari
saccadici. In alcuni casi questa attività era premotoria e
presentava selettività spaziale. Si è avanzata l'ipotesi che una
parte di questi neuroni potessero codificare lo spostamento
dell'attenzione, normalmente concomitante con lo spostamento dello
sguardo. Coerentemente con tale ipotesi, si è anche evidenziato una
modulazione tonica dell'attività bioelettrica da parte della
direzione dello sguardo al buio in circa il 40% delle cellule
studiate.
5) Codifica dei movimenti di prensione da parte di cellule
nervose nella corteccia parietale posteriore
Molti studi hanno messo in evidenza che la corteccia parietale
posteriore è considerata una corteccia associativa capace di
integrare informazioni di natura diversa, come per esempio quelle
visive e somatosensoriali. Recentemente, si è ipotizzato che in
questa zona corticale informazioni diverse siano integrate per
influenzare l'attività motoria. Molti studi elettrofisiologici
hanno evidenziato la presenza, nella corteccia parietale
posteriore, di neuroni modulati dal movimento delle braccia che si
compie volendo raggiungere e afferrare un oggetto nel proprio campo
visivo. In questa ricerca si è voluto studiare se questi neuroni
sono presenti nell'area V6A, posta nella parte caudale della
corteccia parietale posteriore.
L'attività bioelettrica del 70% dei neuroni nell'area V6A era
influenzata dai movimenti attivi delle braccia. Il 30% dei neuroni
modulati dai movimenti attivi delle braccia era anche modulato da
stimolazioni somatosensoriali. La maggior parte di questi neuroni
era modulata in puù fasi dell'atto di prensione di un oggetto: il
movimento di raggiungimento del braccio, la posizione statica del
braccio sul bersagio raggiunto, il movimento di ritorno del braccio
verso il corpo. Circa l'80% dei neuroni modulati era sensibile alle
diverse direzioni in cui avvenivano i movimenti delle braccia nello
spazio. Si sono anche saggiati con compiti di prensione i neuroni
dell'area V6A ed è emerso che nel 62% dei casi era evidente una
modulazione dovuta a tali movimenti. In particolare, facendo
eseguire prensioni di un oggetto avente diversi orientamenti, è
emerso che nel 38% dei casi le cellule della V6A sono modulate
dalle diverse prensioni necessarie ad afferrare l'oggetto. La
presenza in V6A di questi neuroni suggerisce per quest'area un
ruolo diretto nel controllo motorio ed, eventualmente, nella
correzione dei movimenti compiuti dalle braccia per raggiungere un
bersaglio nello spazio peripersonale e dei movimenti compiuti dalla
mano per afferrare in modo appropriato oggetti con caratteristiche
diverse.
6) Acquisizione di attività bioelettrica di gruppi di neuroni
della corteccia parietale posteriore durante compiti visuomotori
per simulazioni con modelli matematici.
Recenti studi indicano che aree corticali associative, poste al
limite tra il sistema visivo e quello somatosensoriale, contengono
sia cellule visive che cellule somatomotorie la cui attività
bioelettrica è legata all'esecuzione e alla pianificazione di
movimenti di prensione. La ricerca presente vuole integrare
esperimenti elettrofisiologici e modellistica computazionale per
interpretare con simulatori le modulazioni neurali
osservate.
Si intendono realizzare modelli computazionali che
permetteranno, mediante l'uso della simulazione numerica, di
valutare il significato dei risultati osservati negli esperimenti
elettrofisiologici condotti nell'area V6A della corteccia parietale
posteriore. Verranno pertanto sviluppati modelli matematici volti a
riprodurre le modulazioni della frequenza di scarica osservate
durante il periodo di memoria di compiti visuomotori. Tali modelli
verranno poi utilizzati per verificare se esistono altri
parametri (ad esempio la sincronizzazione di più cellule)
utilizzabili per la decodifica dei segnali neurali. Questo
approccio multidisciplinare consentirà un'approfondita conoscenza
delle funzioni della V6A e fornirà uno strumento per impiegare tali
conoscenze in ambito applicativo.
7) Messa a punto di un sistema di registrazione real
timedell'attività bioelettrica dei neuroni corticali
Nella conduzione di esperimenti elettrofisiologici volti allo
studio delle funzioni cerebrali è necessario disporre di
apparecchiature che consentano la guida computerizzata degli
strumenti utilizzati in laboratorio, per esempio di pannelli con
pulsanti luminosi necessari per fare compiere all'animale un
compito visuomotorio. E' necessario inoltre disporre di un sistema
di acquisizione dell'attività bioelettrica neuronale che abbia alta
frequenza di acquisizione, per non rischiare di perdere nemmeno un
potenziale d'azione. Queste necessità vengono normalmente
soddisfatte in ogni laboratorio elettrofisiologico. Nel nostro
laboratorio abbiamo voluto sviluppare un sistema più sofisticato,
che consenta il controllo dell'esperimento e del comportamento
dell'animale in tempo reale. Tale necessità è dovuta alla volontà
di riprodurre la modalità di funzionamento del cervello stesso, in
cui processi come ad esempio il controllo motorio avviene in tempo
reale. Questo risultato è stato ottenuto mediante la gestione
dell'esperimento con un programma da una macchina PXI (National
Instruments), su cui è installato un controller real
time PXI 8176 RT. Il programma in esecuzione sul PXI controlla
i vari dispositivi (LED, pannelli luminosi, sistema di gestione
della ricompensa, ecc…). Il programma è stato sviluppato mediante
collaborazione con il gruppo di ricerca del Prof. S. Cavalcanti del
Dipartimento di Elettronica, Informatica e Sistemistica
dell'Università di Bologna ed è stato messo a punto nel nostro
laboratorio.
8) Analisi dei sistemi di riferimento utilizzati dai neuroni
della corteccia parietale posteriore durante movimenti di
raggiungimento
L'area V6A contiene neuroni modulati dalla direzione dello
sguardo e dal movimento del braccio. Utilizzando un compito
visuomotorio in cui la direzione dello sguardo è dissociata dalla
direzione del movimento del braccio si possono esaminare
separatamente i contributi di queste influenze sull'attività
bioelettrica delle cellule dell'area V6A, oltre ad analizzare i
sistemi di riferimento utilizzati da questi neuroni nella codifica
del movimento di raggiungimento. Quando un uomo vuole raggiungere
con il braccio un oggetto per afferrarlo, il cervello determina
rapidamente uno schema appropriato di contrazioni muscolari che
porteranno la mano sul bersaglio. Il calcolo necessario per fare
queste operazioni può essere concettualizzato come una
trasformazione di sistemi di riferimento, in quanto la posizione
del bersaglio viene inzialmente percepita in un sistema di
riferimento visivo, mentre il segnale di controllo finale deve
consistere in una serie di comandi ai muscoli. Per capire come e
dove avvengono gli stadi di questa trasformazione, occorre
determinare il sistema di riferimento usato dai singoli neuroni
nella codifica dei movimenti di raggiungimento con il braccio. I
neuroni coinvolti nella codifica dei movimenti di raggiungimento
tendono ad essere selettivi per una certa regione spaziale: ciò
significa che la loro frequenza di scarica bioelettrica cambia a
seconda della regione spaziale in cui si trova il bersaglio. Dato
un singolo neurone, il suo sistema di riferimento è definito come
la parte del corpo a cui è ancorata la sua regione in cui esibisce
selettività (detta campo di risposta). Se quella parte del corpo si
muove, anche il suo campo di risposta si muoverà in tandem; se
invece si muoverà un'altra parte del corpo, il campo di risposta
non si muoverà.
Cercare il sistema di riferimento dei neuroni è dunque
fondamentale per capire come il cervello può controllare i
movimenti di raggiungimento con le braccia. Nell'area V6A sono
stati trovati neuroni che utilizzano un sistema di riferimento
retinocentrico, neuroni che utilizzano un sistema di riferimento
spaziale, ma la maggiorparte dei neuroni utilizza un sistema di
riferimento “misto”. Per giungere a questi risultati preliminari ci
si è avvalsi della collaborazione con il laboratorio del Dr Batista
dell'Università di Pittsburgh (USA), in quanto egli è uno dei
massimi esperti nel campo dell'analisi dei sistemi di riferimento
dei neuroni di diverse aree corticali.
