La sezione corticale di cervello di coniglio è stata marcata con unisotopo radioattivo per mostrare la quantità di un enzima, la pro-teinchinasi C (PKC), nelle membrane dei neuroni che compaiononella sezione, o vicino a esse. Le tinte rossa e gialla indicano con-centrazioni elevate di enzima, mentre le tinte blu e violetta concen-

trazioni basse. Confrontando sezioni marcate ottenute da animaliaddestrati e no, l'autore è riuscito a identificare possibili meccani-smi per l'apprendimento e la memoria. L'immagine è stata fornitada James L. Olds del laboratorio dell'autore al National Institu-te of Neurological and Communicative Disorders and Stroke.

Settembre 1989Numero 253Anno XXIIVolume XLIII

LE SCIENZESCIENTIFICAMERICAN

sicornis e nel coniglio un tipo relativa-mente semplice di apprendimento asso-ciativo: il condizionamento pavloviano.Nel condizionamento pavloviano, un or-ganismo impara ad associare due stimolidistinti e separati, proprio come il canedi Pavlov imparava ad associare l'odoredella carne con il suono di una campana.Il fatto che il cane associasse i due feno-meni veniva dimostrato da un'intensa sa-livazione, che costituiva una risposta

comportamentale al suono della campa-na che l'animale aveva memorizzato equindi imparato a riconoscere.

Il condizionamento pavloviano è evi-dente nel comportamento che un'enor-me gamma di specie mostra nell'appren-dimento. In contrasto con la diversitàdegli organismi, dei comportamenti edegli stimoli che possono venire associa-ti, le norme significative alle quali obbe-dire sono sorprendentemente simili. Ta-

le somiglianza sottintende che le funzio-ni dei sistemi nervosi su cui si basa lamemoria associativa in differenti speciesiano anch'esse simili. In effetti, una mo-le crescente di prove suggerisce che, du-rante il corso dell'evoluzione, i meccani-smi della memoria associativa siano staticonservati.

Per esempio, si può insegnare a Her-missenda ad associare un lampo di lucecon una rotazione, che imita la turbolen-I meccanismi molecolari

della memoriaLo studio delle modificazioni delle proprietà elettriche e molecolaridelle cellule nervose in animali sottoposti a condizionamento pavlovianopuò dare un contributo alla progettazione di sistemi nervosi artificiali

U

n vignettista ritrae il volto di unpersonaggio famoso con po-chissimi tratti disegnati ad ar-

te. Lo schizzo offre spunti visivi suffi-cienti a evocare, in chi lo osserva, il ri-cordo di una forma che mette il soggettoin grado di completare le eventuali lacu-ne. In questo senso l'essere umano puòessere considerato un «dispositivo per ilriconoscimento delle forme» prodottosinel corso dell'evoluzione; i ricordi costi-tuiscono le forme immagazzinate.

L'immagazzinamento di forme, vale adire la registrazione dei ricordi, è rego-lato da un principio piuttosto semplice:le componenti di una forma verranno as-sociate in un ricordo se esse sono perce-pite in modo più o meno simultaneo.Una forma si costituisce e viene imma-gazzinata quando un gruppo di sue com-ponenti, o elementi, si associa nel tem-po. I lineamenti del volto di un amico,per esempio, vengono memorizzati inassociazione e non singolarmente. Uninsieme di note musicali viene memoriz-zato sotto forma del loro concatenamen-to in una melodia.

È tipico, inoltre, dei ricordi il fattoche il riconoscimento di una loro piccolaparte possa innescare il riconoscimentodel tutto. Un lineamento familiare coltosul viso di un estraneo potrà ricordar-ci un tratto presente sul volto di un ami-co; poche note in un ritornello potrannofarci tornare alla mente l'intero movi-mento di una sinfonia. E non sono solo

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di Daniel L. Alkon

gli elementi all'interno di una forma aessere associati tra loro: certe forme pos-sono evocare altre forme. La forma visi-va che ricorda il volto di un amico puòessere associata alla configurazione so-nora che si riferisce al nome dell'amicoe a quella olfattiva che ricorda il dopo-barba dell'amico.

Gli studi sul funzionamento del cer-vello stanno iniziando a rivelare come sistabiliscono tali legami. Sembra che laformazione di una memoria associativacomporti una sequenza di cambiamentimolecolari in localizzazioni specifiche disistemi di neuroni. Per esempio, la re-cettività di alcuni siti neuronali può es-sere notevolmente potenziata dalla mi-grazione di una proteina, la proteinchi-nasi C (PKC). Questa proteina si spostadal citoplasma alla membrana cellularedi un neurone, alterando le proprietà diquest'ultimo in modo che particolari se-gnali di stimolo inneschino con maggiorefacilità gli impulsi nervosi. L'eccitamen-to di neuroni così attivati riflette la di-stribuzione, all'interno sia di ciascunneurone sia di ciascun sistema di neuro-ni, di quei siti la cui eccitabilità è statapotenziata in permanenza attraverso lamemorizzazione.

Sembra che molti cambiamenti mole-colari coinvolti nel processo di memoriz-zazione si svolgano nei dendriti, le ra-mificazioni del neurone che ricevono isegnali afferenti. L'insieme di queste ra-mificazioni è sorprendente per la com-

plessità e l'enorme superficie. Un singo-lo neurone può ricevere da 100 000 a200 000 segnali, provenienti da fibre af-ferenti distinte, che raggiungono l'albe-ro dendritico. Una qualsiasi configura-zione di stimoli raggiunge probabilmen-te, sull'albero dendritico, solo una per-centuale piuttosto piccola di siti e, per-tanto, un numero quasi infinito di confi-gurazioni sensoriali può essere imma-gazzinato senza saturare la capacità delsistema.

Le ricerche che i miei collaboratori eio abbiamo effettuato al National Insti-tute of Neurologica] and Communicati-ve Disorders and Stroke, assieme ai con-tributi di altri ricercatori, hanno portatoall'intuizione di alcune regole che po-trebbero essere utilizzate per progettaresistemi di memoria che utilizzino l'archi-tettura e i principi di funzionamento deicalcolatori, cioè circuiti nervosi artificia-li. In effetti, il circuito artificiale che ab-biamo costruito secondo le norme biolo-giche è riuscito a riconoscere alcune con-figurazioni e le formule matematicheche ne governano l'attività stanno for-nendo, a loro volta, alcuni indizi suimeccanismi biologici che governano lamemoria.

M el mio laboratorio, abbiamo studia-1 to l'immagazzinamento dei ricordi ele basi molecolari della formazione dellamemoria associativa, analizzando nelgasteropodo marino Hermissenda cras-

15

Lu 10 —SUONO NÉ SUONONÉ SOFFIO D'ARIA

r 8 SOFFIO D'ARIA —

6LUi- 4

<2

O

SOFFIO D'ARIA-

SOFFIO D'ARIA

2

mLU2 10

100 300 500 700 900TEMPO (MILLISECONDI)

SUONO NÉ SUONONÉ SOFFIO D'ARIA

-

.5447(04

Il trasferimento di una risposta comportamentale ha luogo, nel coniglio, come risultato diun condizionamento associativo o pavloviano. Nel caso preso in esame, si addestra l'ani-male in modo che associ un determinato suono a un soffio d'aria che gli colpisce l'occhio.La risposta comportamentale, una estensione della membrana nittitante (illustrazioni asinistra dei grafici), viene trasferita dallo stimolo non condizionato (il soffio d'aria) a quellocondizionato (il suono). I grafici mostrano che, prima del condizionamento, l'estensionedella membrana nittitante avviene solo dopo il soffio d'aria (grafico in alto); mentre, dopouna settantina di addestramenti, l'animale impara a estendere la membrana anche quandosente solamente lo stimolo acustico (grafico in basso). Bernard G. Schreurs, che lavora nellaboratorio dell'autore, ha fornito i dati che hanno permesso di realizzare questa figura.

100 300 500 700TEMPO (MILLISECONDI)

900

V CORTECCIA SO-NERVO MATOSENSORIALE

<O

01175.

,n•••

• •

<OGLUTAMMATO NEURONE

Al

FORMAZIONERETICOLARE

NUCLEO SET-TALE MEDIALE <O

ACETILCOLINA

ECCITAMENTO

CORTECCIACINGOLATA

TALAMO VENTRALEANTERIORE

CORPOMAMMILLARE <O

ALTRE NEOCORTECCEDI ASSOCIAZIONE

ASSONE

(LO SUONO

NERVO COCLEARE

)

SOFFIO D'ARIACORTECCIAENTORINALE <O

\ ,DENDRITI

COLLICOLOINFERIORE

<O

CORTECCIAUDITIVA

O

Le vie nervose coinvolte nel condizionamento convergono sulle cel-lule piramidali CAI dell'ippocampo del coniglio. Gli impulsi pro-venienti dall'occhio e dall'orecchio interagiscono con il neuroneCA1 per mezzo di un neurotrasmettitore, il glutammato. L'eccita'

mento dell'animale, che ha importanza per l'apprendimento, vienecomunicato al neurone CA1 da un altro neurotrasmettitore, l'ace-tilcolina. Il neurone CA1 invia a sua volta impulsi ad altre partidella corteccia. La figura è dell'autore e di James L. Olds.

za del mare. In natura, l'animale rispon-de alla turbolenza flettendo il muscoloche gli fa da piede, in modo da potersiancorare a una superficie dura; median-te il condizionamento, il mollusco impa-ra a compiere questo movimento in ri-sposta alla luce (si veda l'articolo L'ap-prendimento in un mollusco marino diDaniel L. Alkon in «Le Scienze» n. 181,settembre 1983).

I conigli imparano ad associare unsuono con un soffio d'aria che li colpiscealla superficie degli occhi: l'aria fa esten-dere la membrana nittitante e, con iltempo, l'estensione della membrana simanifesta anche quando il coniglio sentesolamente il suono (si veda l'illustrazio-ne in questa pagina).

Entrambi questi comportamenti ap-presi sono esempi di trasferimento di ri-sposta: il trasferimento di una rispostaindotta normalmente da uno stimolo«non condizionato» (l'odore della carne,la turbolenza del mare o una folata divento) a uno stimolo «condizionato» (iltintinnio di una campana o un suono dialtro tipo, un lampo di luce). In effetti,per imparare ad associare stimoli condi-zionati e non, un animale deve ricordarela relazione temporale dei vari avveni-menti. Il gasteropodo deve ricordare chela rotazione si associa sempre a un lam-po di luce e il coniglio deve ricordare cheun soffio d'aria si associa sempre a undato suono.

In questi organismi l'apprendimento ela memoria possono essere fatti risalire

ai sistemi nervosi e ai cambiamenti cel-lulari responsabili di modificazioni com-portamentali. Nei conigli, i miei colleghie io abbiamo osservato le cellule pirami-dali CA!, neuroni localizzati nel cervelloa livello dell'ippocampo, mentre perquanto riguarda i gasteropodi abbiamoanalizzato altri neuroni, i fotorecettori ditipo B, che sono sensibili agli stimoli lu-minosi. In entrambi i gruppi di animali,l'associazione temporale ripetuta deglistimoli nel corso del condizionamentopavloviano provoca un cambiamentopersistente nei neuroni bersaglio: si ri-scontra una riduzione del flusso degli io-ni potassio attraverso i canali presentinelle membrane.

Le cellule nervose conducono gli im-pulsi elettrici mediante il flusso degli ionipotassio e il concomitante flusso di altriioni. In condizioni normali, il primo flus-so è responsabile del mantenimento del-la carica della membrana cellulare ben aldi sotto del potenziale di soglia al qualesi innescano i segnali che poi si propaga-no. Quando si riduce il flusso degli ionipotassio, gli impulsi vengono innescaticon maggiore facilità. In effetti, l'eccita-bilità dei neuroni CA1 e dei fOtorecettoridi tipo B viene potenziata in misura si-gnificativa dal condizionamento.

Il flusso degli ioni potassio non vieneridotto negli animali di controllo che nonsono esposti a stimoli, ma non viene nep-pure ridotto se le stesse coppie di stimolisono presentate in modo alterno o a ca-so. Non sono gli stimoli stessi, allora, che

riducono il flusso degli ioni, ma è la re-lazione temporale tra essi (si veda l'illu-strazione a pagina 18).

La riduzione del flusso degli ioni po-tassio, che si ritiene modifichi l'entità deisegnali elettrici nei sistemi nervosi diHermissenda e del coniglio, non durasoltanto alcuni secondi, minuti od ore,ma almeno diversi giorni e, probabil-mente, anche molto più a lungo. Questofenomeno rappresenta un nuovo tipo dicontrollo temporale sulla funzione deicanali di membrana, un controllo maiincontrato prima in cellule totalmentedifferenziate (mature). Esso è singolar-mente adatto per la memorizzazionedelle associazioni tra stimoli.

In Hermissenda, che possiede pochineuroni le cui connessioni sono ben ca-ratterizzate, si è riusciti a stabilire che icambiamenti nel flusso degli ioni potas-sio, prodotti dal condizionamento, sonouna delle cause principali della memo-rizzazione e della capacità di ricordarel'associazione appresa. Una simile impli-cazione causale non è stata neppure ten-tata nel coniglio, anche se John F. Di-sterhoft e Douglas A. Coulter con unaserie di sperimentazioni svolte nel miolaboratorio hanno dimostrato che i cam-biamenti nel flusso ionico sono specificidell'apprendimento e sono localizzatinei neuroni CA1 .

Sia nelle cellule piramidali CA1 del co-niglio sia nei fotorecettori di tipo B

di Hermissenda sembra che i cambia-menti nel flusso degli ioni dipendano dalmovimento dell'enzima proteinchinasiC, sensibile al calcio. In risposta ai cam-biamenti che hanno luogo nella concen-trazione degli ioni calcio e di un altrosecondo messaggero, il diacilglicerolo(DAG), e che accompagnano l'associa-zione di stimoli sensoriali in correlazionetemporale tra loro, la proteinchinasi C sisposta dal citoplasma alla membrana cel-lulare, dove riduce il flusso degli ionipotassio.

La traslocazione e l'attivazione dellaproteinchinasi C possono essere indotteartificialmente mediante un farmaco,l'estere forbolico. Alcune ricerche svol-te in precedenza avevano già dimostratoche l'esposizione delle cellule piramidaliCA1 a questa sostanza fa migrare l'enzi-ma verso la membrana cellulare e pro-voca la stessa riduzione del flusso di ionipotassio che ha luogo nel condiziona-mento. Il condizionamento pavlovianoproduce anche un netto aumento di at-tività della proteinchinasi C localizzatanella membrana e una diminuzione com-plementare dell'attività di questo enzi-ma nel citoplasma. Barry Bank, nel no-stro laboratorio, ha osservato la stessatraslocazione nei giorni immediatamen-te successivi a quelli in cui i conigli eranostati addestrati (si veda l'illustrazione apagina 20, in alto).

Analoghe osservazioni, compiute suHermissenda, fanno pensare alla traslo-cazione prolungata della proteinchinasi

C nella memoria associativa di questogasteropodo. L'esposizione dei fotore-cettori di tipo B all'estere forbolico, as-sieme a un aumento della concentrazio-ne intracellulare di ioni calcio, imita inmodo specifico le conseguenze biofisi-che del condizionamento, cioè producela stessa riduzione nel flusso degli ionipotassio. La localizzazione della PKCnei fotorecettori di tipo B determina ri-gorosamente il tipo di effetto sul flussodegli ioni potassio. Se l'enzima è presen-te nel citoplasma, fa aumentare il flusso,riducendo l'eccitabilità dei fotorecettoridi tipo B; se è presente nella membrana,riduce il flusso, facendo aumentare l'ec-citabilità dei fotorecettori. Sostanze chebloccano la traslocazione della protein-chinasi C bloccano anche la riduzionedel flusso degli ioni potassio che è nor-malmente prodotto dal condizionamen-to associativo.

La prova biochimica che questo con-trollo molecolare viene attivato dal con-dizionamento è stata ottenuta misuran-do le proteine bersaglio della proteinchi-nasi C in Hermissenda. L'attività di que-sto enzima sta nell'addizionare gruppifosfato a substrati proteici. Uno di questisubstrati, una proteina del peso moleco-lare di circa 20 chilodalton, mostra, co-me conseguenza del condizionamento,una variazione nel numero dei gruppi fo-sfato. Anche l'esposizione dei fotorecet-tori di tipo B all'estere forbolico provocaun aumento dei gruppi fosfato nella stes-sa proteina.

Solo di recente, il mio collega ThomasJ. Nelson e io abbiamo avuto la provache la suddetta proteina bersaglio è unaproteina che lega il glucosio trifosfato(GTP) e che può essere interessata nellaregolazione nei canali ionici; quando lainiettiamo nei fotorecettori di tipo B, ve-diamo una riduzione del flusso degli ionipotassio analoga a quella riscontrata do-po il condizionamento. Questa proteinada 20 chilodalton può compiere, nel-l'ambito dell'apprendimento, funzionianaloghe a quelle che le proteine G svol-gono nello sviluppo e nella crescita deitumori.

Altre osservazioni compiute sia inHermissenda sia nei conigli suggerisconoche nel condizionamento pavloviano unsecondo enzima possa partecipare allariduzione del flusso degli ioni potassio.Questo enzima, un'altra chinasi attivatadal calcio e nota come chinasi CAM II,fosforila anche la proteina bersaglio da20 chilodalton di Hermissenda e riduceil flusso degli ioni potassio in presenza dilivelli intracellulari elevati di ioni calcio.Bank, nel nostro laboratorio, e RobertJ. DeLorenzo e collaboratori, al Medi-cal College of Virginia, hanno trovatoche nei conigli condizionati - ma non ne-gli animali di controllo - l'attività delsopra citato enzima aumenta nelle regio-ni in cui si trovano le cellule piramidaliCA1 nei giorni successivi a quello in cuiè avvenuto il condizionamento. L'en-zima è concentrato, in corrispondenzadei siti postsinaptici (quelli che rice-

vono i segnali), in tutto l'albero dendri-tico di vari neuroni CA1 .

L'attivazione di entrambe le chinasipuò produrre una riduzione più duraturadel flusso degli ioni potassio di quellainnescata dall'attivazione separata del-l'una o dell'altra chinasi.

La cooperazione tra questi enzimi hagià prodotto importanti effetti fisiologi-ci, come l'aggregazione delle piastrine,la secrezione di insulina e la contrazionemuscolare; si sa, inoltre, che la trasloca-zione della proteinchinasi C è responsa-bile del prolungamento e del potenzia-mento della capacità di risposta a segnalielettrici, chimici e ormonali in svariaticontesti fisiologici. Un simile ruolo ubi-quitario della proteinchinasi C sottoli-nea il concetto che, dal punto di vistaevolutivo, si sia conservato un meccani-smo fondamentale che assicura un con-trollo anche temporale sul funzionamen-to della cellula nervosa.

La via della proteinchinasi C può es-sere particolarmente idonea per l'imma-gazzinamento dei ricordi in quanto sem-bra che abbia la capacità di innescarecambiamenti cellulari che si protraggonoper lunghi periodi di tempo o che, addi-rittura, sono permanenti. Può farlo alte-rando la sintesi proteica. In Hermissen-da , la traslocazione della proteinchina-si C, indotta dall'estere forbolico, al-tera sostanzialmente la sintesi di nume-rose proteine neuronali e quest'altera-zione ha un'influenza profonda sulla ri-duzione, stimolata dal calcio, del flusso

16 17

STIMOLONON CONDIZIONATO (SNC)

ROTAZIONE

STIMOLOCONDIZIONATO (SC)

Le interazioni che avvengono nella membrana durante il condizio-namento associativo favoriscono la traslocazione della proteinchi-nasi C (PKC). Nella membrana di un fotorecettore di tipo B diHermissenda la stimolazione da parte della luce e della rotazione

dà inizio a una catena di avvenimenti che culmina nel trasferimentodell'enzima dal citoplasma alla membrana, con la successiva ridu-zione del flusso degli ioni potassio nei canali. L'autore supponeche questa riduzione sia mediata da una proteina, la proteina G.

EFFETTO DEL CONDIZIONAMENTO

10 NANOAMPERE

ASSENZA DI STIMOLI

STIMOLI CASUALI

STIMOLI ASSOCIATI

ATTIVAZIONE DELLA PROTEINCHINASI C DA PARTE DELL'ESTERE FORBOLICO

10 NANOAMPERE

75

14,5

21,5

TEMPO (MINUTI) -->

Il flusso degli ioni potassio appare ridotto nei fotorecettori di tipo B di gasteropodi marini(Hermissenda), quando sono stati addestrati ad associare un lampo di luce alla rotazione;come risposta all'associazione, i gasteropodi flettono il «piede». Negli animali condizionatidalla presentazione associata di luce e rotazione (in alto), si nota una marcata diminuzionedel flusso; questo è, invece, più elevato quando gli stimoli sono presentati a caso o nonvengono presentati affatto (condizione di assenza). L'attivazione della proteinchinasi C conestere forbolico, nei fotorecettori di tipo B, duplica l'effetto del condizionamento (in basso).L'estere forbolico fa migrare l'enzima fino alla membrana dei neuroni; si ritiene che siala presenza dell'enzima nella membrana, o vicino a essa, a determinare la riduzione delflusso degli ioni potassio. Analoghi effetti si notano nei neuroni CA1 dei conigli.

ionico che avviene come conseguenzadella traslocazione.

Siamo stati anche in grado di correlare

L3 il comportamento di Hermissendanell'apprendimento con il metabolismoproteico dei neuroni interessati funzio-nalmente nella memorizzazione. Vi èuna stretta correlazione tra quest'ultimae la concentrazione cellulare di diverseproteine, una delle quali è il substrato da

20 chilodalton della proteinchinasi C.Nel mio laboratorio, Nelson ha trovatoche l'efficienza della memorizzazione èanch'essa strettamente correlata, nel-l'occhio del gasteropodo, con incremen-ti nella sintesi di numerose specie diRNA messaggero, il precursore moleco-lare delle proteine. Sembra che ancheuna di queste specie di RNA corrispon-da esattamente alla proteina da 20 chi-lodalton di Hermissenda.

Alterazioni strutturali nelle ramifica-zioni dei fotorecettori di tipo B di Her-missenda si associano a modificazioninella sintesi proteica, prodotte dalla for-mazione di una memoria associativa.Questi cambiamenti si possono indivi-duare iniettando un colorante attraversoun microelettrodo inserito nel corpo cel-lulare. Cinque giorni dopo che gli ani-mali sono stati sottoposti a esperimentidi addestramento o di controllo, sembrache le ramificazioni dei fotorecettori ditipo B nei soggetti addestrati occupinouno spazio molto più ridotto di quantonon facciano quelle degli animali di con-trollo (si veda l'illustrazione a pagina21). Lo spazio occupato dalle ramifica-zioni è inequivocabilmente correlato conl'entità della riduzione del flusso degliioni potassio.

La natura di questo cambiamentostrutturale suggerisce un'ipotesi. Puòdarsi che quelle ramificazioni che con-sentono le interazioni sinaptiche che me-diano l'associazione appena appresa traluce e rotazione siano mantenute o au-mentino di numero, mentre quelle chemediano risposte alternative allo stimololuminoso siano eliminate o ridotte di nu-mero. Attualmente stiamo valutandoquesta ipotesi mediante inoculazione disostanze di diverso colore in cellule coninterazioni sinaptiche note e con il suc-cessivo conteggio dei contatti sinapticistabiliti dai fotorecettori di tipo B concellule che mediano notoriamente rispo-ste differenti.

È vero che animali tenuti o allevatiin ambienti stimolanti tendono ad avere,nei neuroni corticali, un maggior nume-ro di ramificazioni di quante ne abbianogli animali esposti a stimoli sensoria-li minimi. Ma il fenomeno, che abbiamoparagonato a una messa a fuoco, osser-vato in Hermissenda quale risultato del-la formazione di una memoria associati-va è completamente diverso rispetto aicambiamenti strutturali misurati in para-digmi di addestramento non associativi.Pertanto, i cambiamenti a carico dei fo-torecettori di tipo B non sono dovuti al-la stimolazione sensoriale stessa, ma aitempi di applicazione degli stimoli, cioèalla modalità secondo cui si svolge lastimolazione.

Questi dati fanno pensare che tale mo-dalità possa essere rappresentata e im-magazzinata sotto forma di un insiemedi ramificazioni e contatti sinaptici, co-me pure di una configurazione di segnalielettrici e di una sequenza di attivazionemolecolare. L'eliminazione o la riduzio-ne dei contatti sinaptici si riscontra an-che nel corso dello sviluppo, quandomolteplici neuroni competono nello sta-bilire contatti sinaptici con un neuronebersaglio comune. Jean-Pierre Chan-geux dell'Institut Pasteur di Parigi e Ge-rald M. Edelman della Rockefeller Uni-versity hanno estrapolato il concetto disviluppo, postulando che un simile «dar-winismo neurale» possa verificarsi nel-l'apprendimento e nella memorizzazio-

ne. La messa a fuoco dei fotorecettori ditipo B in Hermissenda fornisce un ba-se biologica all'estrapolazione compiutadai ricercatori.

M el cercare di comprendere come siforma la memoria associativa, sono

partito dagli stimoli provenienti dall'am-biente per passare poi ai segnali elettricinei sistemi nervosi, al flusso degli ioniattraverso le membrane cellulari, ai con-trolli molecolari che regolano questoflusso, alle alterazioni nella sintesi delleproteine e, infine, ai cambiamenti nel-l'architettura dei neuroni. Queste ricer-che hanno dimostrato che i neuroni co-involti nella memorizzazione sono ele-menti dinamici. Come cellule differen-ziate, mature, essi non sono più capacidi dividersi, ma sono ancora capaci dispettacolari trasformazioni.

In Hermissenda abbiamo dimostratoche queste trasformazioni hanno luogoin differenti periodi di tempo, che hannouna durata variabile da secondi a giornio anche maggiore, e influiscono, all'in-terno delle cellule, su differenti dominispaziali.

Sembra che anche i neuroni dell'ippo-campo di coniglio possano subire cam-biamenti in differenti domini spaziali.Siamo stati in grado di seguire le traccedi questi cambiamenti mediante unasonda molecolare, che è stata impiegataper la prima volta da Solomon Snyder,Paul F. Worley e collaboratori alla Johns

Hopkins University. Questi ricercatorihanno trovato che la distribuzione dellaproteinchinasi C nelle strutture cerebralisi può misurare marcando l'enzima conestere forbolico radioattivo. Se la con-centrazione di questo tracciante vienemantenuta sufficientemente bassa, nonha luogo alcuna traslocazione nella pro-teinchinasi C e vengono marcate soltan-to quelle regioni dei neuroni e dellepopolazioni neuronali che hanno mag-giori quantità di enzima nella membranacellulare.

Di recente, nel nostro laboratorio,James L. Olds ha ottenuto la prova che,un giorno dopo l'addestramento, la pro-teinchinasi C associata alla membranacellulare subisce un incremento massimovicino ai corpi cellulari dei neuroni CA1e un incremento minore nella regionedei dendriti (cioè dei rami che ricevonostimoli sensoriali). I suoi risultati sugge-riscono anche che, tre giorni dopo il con-dizionamento, la distribuzione dell'enzi-ma marcato appare del tutto trasforma-ta: la marcatura è molto più netta nelleregioni dendritiche che nei corpi cellula-ri. In altre parole, essendosi esteso il do-minio temporale della memorizzazioneda uno a tre giorni, il dominio spazialedella proteinchinasi C localizzata nellaregione delle membrane può spostarsidal corpo cellulare ai dendriti.

Il dominio spaziale variabile della di-stribuzione dell'enzima può offrire alcu-ni spunti per una questione più generale,

riguardante i processi di memorizzazio-ne. I nostri risultati, così come quelli diRichard F. Thompson della Universityof Southern California e di Theodore W.Berger dell'Università di Pittsburgh, in-dicano che, nel coniglio, l'immagazzina-mento di associazioni discrete coinvolgemolte cellule, un dato che è in contrastocon la nostra ipotesi circa la partecipa-zione di un piccolo numero di cellule sol-tanto. Come può accadere che moltineuroni CA1 siano modificati da un sin-golo evento condizionante e conservinoancora la capacità di immagazzinare al-tre associazioni?

Potrebbe darsi che i segnali afferenti,limitati soltanto a piccoli compartimentidegli alberi dendritici dei neuroni CA1,siano in grado di alterare, nei corpicellulari di tali neuroni, i flussi degliioni potassio, la distribuzione della pro-teinchinasi C, la sintesi proteica e al-tri fenomeni. I corpi cellulari attivati inquesto modo potrebbero di conseguenzafare aumentare il trasporto di molecoledi fondamentale importanza in tutte leprincipali ramificazioni degli alberi den-dritici; queste molecole, però, o rimar-rebbero localizzate oppure esercitereb-bero un effetto solamente in quei picco-li compartimenti che, inizialmente, ave-vano ricevuto segnali afferenti, oppor-tunamente scanditi nel tempo (si ve-da l'illustrazione in basso nella paginasuccessiva).

Questa sequenza di eventi spieghereb-

18

19

ASSENZA DI STIMOLI

MI STIMOLI CASUALI

STIMOLI ASSOCIATI

80

UJ

D

Uiow 60ci

o(T)

1oUi

OH 40

a_

UJoUi

I-

O 20

5

o

100 200

300

MEMBRANA CITOPLASMATEMPO (MILLISECONDI)

Questi profili elettrici e molecolari dei neuroni CA! di conigli con-dizionati e di controllo mostrano differenze ben nette. Si nota unacorrelazione significativa tra condizionamento e somma delle am-piezze dei potenziali postsinaptici generati nei neuroni (a sinistra):negli animali condizionati, quest'ultimo valore cresce con il passare

del tempo. La percentuale della proteinchinasi C nella regione dellamembrana e del citoplasma dei neuroni CA I (misurata come atti-vità dell'enzima) differisce anch'essa negli animali condizionati enegli animali di controllo (a destra); in quelli condizionati, unaquantità molto maggiore di enzima è associata con la membrana.

10

o

VOLUME PERDUTOO RIDOTTO

DOPO L'ADDESTRAMENTO

La «messa a fuoco» delle ramificazioni neuronali interessate nel condizionamento puòeliminare o ridurre il volume delle vie nervose che non collegano lo stimolo condizionatoalla risposta comportamentale. Questo modello mostra un'area del fotorecettore di tipo Bdi Hermissenda in cui possono verificarsi riduzioni di volume delle ramificazioni neuronali.

I modelli relativi ai cambiamenti indotti dall'apprendimento varia-no rispetto alle interazioni necessarie per realizzarli. Il modello del-l'interazione locale postula che i cambiamenti (in colore) abbiano o-rigine in corrispondenza del sito recettore di un neurone, quando inesso un input di uno stimolo condizionato (SC) è associato nel tempocon l'input di uno stimolo non condizionato (SNC) su un sito

recettore adiacente (1). L'interazione viene comunicata al corpocellulare (2), generando fattori che ritornano al sito dell'interazio-ne e lo determinano (3). Per contro, il modello di Hebb ammetteche i cambiamenti avvengano quando l'input proveniente da unostimolo condizionato giunge a un sito recettore nel medesimo mo-mento in cui il neurone si eccita per uno stimolo non condizionato.

misura, in contrasto con le supposizioniche sono state avanzate circa la natu-ra dell'immagazzinamento dei ricordi.Quarant'anni fa, Donald O. Hebb dellaMcGill University, un pioniere nello stu-dio della memoria, avanzò l'ipotesi cheil processo di memorizzazione richiedes-se una concomitanza tra i segnali affe-renti, provenienti da una singola fontepresinaptica, e l'attività (o eccitamento)dell'elemento postsinaptico.

Il modello ideato da Hebb, preveden-do un'attività nel sito postsinaptico, sug-gerisce che l'intero neurone partecipi aogni fase del processo. L'eccitamentodel neurone postsinaptico (coincidente,nel modello di Hebb, con l'eccitamentopresinaptico) dovrebbe influenzare lamaggior parte dei compartimenti den-dritici, se non addirittura tutti.

Per contro, ciò che osserviamo in Her-missenda e ciò che deduciamo dagli studieffettuati sull'ippocampo di coniglio ciinducono a credere che esista un'ampiainterazione locale tra siti postsinaptici.La diffusione di segnali elettrici, e forseanche chimici, da un sito postsinapticoall'altro (senza attività o eccitamento deisiti) sembra essere decisiva per avviare ilprocesso di memorizzazione. I meccani-smi locali di immagazzinamento sonopiù significativi da un punto di vista fi-siologico, poiché ogni neurone può im-magazzinare molte migliaia di ricordi sele interazioni critiche sono comparti-mentate sull'albero dendritico. CharlesD. Woody, dell'Università della Califor-nia a Los Angeles, con le sue ricerche hascoperto prove di cambiamenti postsi-naptici anche nel gatto.

Un ruolo parallelo, per l'interazionelocale, è stato sottinteso di recente nelpotenziamento a lungo termine, unamodificazione neuronale indotta elettri-camente che è servita da modello per lealterazioni indotte da stimoli naturalidurante l'apprendimento.

Numerosi ricercatori, tra cui HolgerWigstrom e Bengt Gustafsson dell'Uni-versità di Gédeborg in Svezia, Per O.Andersen dell'Università di Oslo in Nor-vegia, Thomas H. Brown della YaleUniversity, Roger Nicoll dell'Universitàdella California a San Francisco e GaryLynch dell'Università della California aIrvine , assieme ai loro collaboratori,hanno studiato queste interazioni localidurante cambiamenti transitori nei neu-roni, che durano da una a due ore e chevengono indicati come potenziamento alungo termine associativo.

I loci neuronali per i cambiamenti in-dotti durante il potenziamento a lungotermine non associativo sono chiara-mente sia presinaptici, come suggeritodalla ricerca compiuta da Timothy V. P.Bliss e collaboratori al National Institutefor Medical Research di Londra e daAryeh Routtenberg della NorthwesternUniversity, sia postsinaptici, come è sta-to dimostrato da Wigstrom, Gustafsson,Lynch, Andersen e altri. Altri ricercato-ri, in particolare Eric R. Kandel e colla-

boratori, al Columbia University Colle-ge of Physicians and Surgeons, dannorilievo a un locus presinaptico per l'im-magazzinamento dei ricordi non associa-tiva che potrebbe aver luogo, per esem-pio, durante l'assuefazione o la sensibi-lizzazione.

Molte questioni sollevate da questo ti-po di ricerca dovrebbero venire risoltequando le sonde molecolari di protein-chinasi C riusciranno a raggiungere unamaggiore risoluzione a livello cellulare esubcellulare. In quel momento dovreb-bero rendersi evidenti anche le sottilidifferenze, indotte dall'apprendimento,nella distribuzione della sonda enzimati-ca, sia che esse abbiano luogo all'internodei compartimenti intracellulari del neu-rone, sia che abbiano luogo all'internodi rami dell'albero dendritico o all'inter-no di interi sistemi neuronali.

Descrizioni matematiche precise delleimmagini che vengono generate du-

rante il processo di memorizzazione po-trebbero aiutare a valutare i modelli teo-rici concernenti il modo in cui, all'inter-no del cervello, i sistemi nervosi acquisi-scono e immagazzinano le informazioni.Attualmente si sta lavorando per incor-porare modelli di questo tipo nei «circui-ti nervosi» dei calcolatori. I fenomeniche noi e altri ricercatori abbiamo osser-vato stanno già rendendo utile e neces-saria l'elaborazione di modelli dei pro-

cessi di memorizzazione svolti da sisteminervosi artificiali.

I miei colleghi Thomas P. Vogl e KimL. Blackwell dell'Environmental Re-search Institute of Michigan e io stessoriteniamo che i meccanismi della memo-ria a lungo termine in Hermissenda e nelconiglio potrebbero essere utilmente in-clusi in un simile sistema artificiale. Peresempio, le nostre osservazioni avevanoindicato che la memorizzazione iniziaquando gli stimoli dell'addestramentofanno insorgere segnali elettrici esatta-mente scaglionati nel tempo in modo ta-le da poter convergere e interagire local-mente su siti neuronali d'importanza de-cisiva, come per esempio i fotorecettoridi tipo B.

Quest'osservazione ha suggerito unprimo principio per la progettazione diun circuito teorico di apprendimento as-sociativo: il «peso» (stato di attivazione)dell'interazione sinaptica, cioè del tra-sferimento di segnali tra elementi del si-stema artificiale, si modifica localmente,tra due input vicini, come funzione dellarelazione temporale tra segnali afferenti(in arrivo) e come funzione della ripeti-zione di quei segnali che sono in relazio-ne temporale tra loro. Nel nostro circui-to nervoso artificiale, il peso delle si-napsi non verrebbe modificato comefunzione dei segnali efferenti (in uscita),provenienti da un comune neurone ber-saglio. L'input che raggiunge un elemen-

be perché, negli animali condizionati,tanti corpi cellulari di neuroni CA1 (dal50 al 60 per cento) mostrino cambiamen-ti biofisici e biochimici indotti dal condi-zionamento. Se un'associazione venisseimmagazzinata in particolari comparti-

menti dendritici (uno scenario che vienesuggerito dalla distribuzione della pro-teinchinasi C nei neuroni di coniglio tregiorni dopo che questo è stato sottopo-sto a condizionamento), si potrebbeconservare la specificità del processo di

memorizzazione senza saturare la capa-cità dei neuroni CA1 di immagazzinareulteriori informazioni.

Il modello concettuale operativo alquale sono giunto attraverso indagini ef-fettuate nel mio laboratorio è, in qualche

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Per comprendere i segreti che collegano e distinguonoMATERIA E ANTIMATERIA

Ettore Fiorini e Andrea Giuliani, curatori del nuovoquaderno di Le Scienze, conducono il lettore

alla scoperta di quei settori della fisicanei quali lo studio del microcosmo e del macrocosmo

sfumano l'unonell'altro.

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In questo numero:

Che cos'è la materia? di E. Schródinger (da «Scientific Americane>)Antimateria di G. Burbidge e F. Hoyle (da «Scientific Americane)

L'annichilazione elettrone-positrone e le nuove particelle di S.D. DrellParticelle elementari e forze di C. Quigg

L'asimmetria cosmica fra materia e antimateria di F. WilczekIl decadimento del protone di S. Weinberg

Un difetto nello specchio cosmico di R.K. Adair

Gravità e antimateria di T. Goldman, R.J. Hughes e M.M. Nieto

Gli acceleratori di particelle verificano la teoria cosmologica

di D.N. Schramm e G. Steigman

La materia oscura di Andrea Giuliani

a tura di Ettore Fiorirti • ~ma Giuliano

R A. Mdor G sorta" S.O. 0n05. E F.co.

A. GRA., T ~men. F. Hoya.

MM. 111.10, C Oupp. DA Schnnen.

E F Mero,

LE SCIENZEquaderni

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STRATO DI INPUT

PRIMO STRATO (NASCOSTO)

SECONDO STRATO (NASCOSTO)

TERZO STRATO (DI OUTPUT)

Il riconoscimento delle forme da parte delcircuito nervoso artificiale realizzato dal-l'autore avviene secondo regole presenti neisistemi biologici. Quando un circuito è ad-destrato a riconoscere una forma, peresempio la lettera «a», i siti riceventi chepartecipano al riconoscimento assumonomaggior «peso» rispetto a quelli che non vipartecipano, cioè la loro eccitabilità vienepotenziata. Qui il peso della sinapsi è rap-presentato dall'altezza degli elementi neivari strati. Il potenziamento facilita la con-nessione dei neuroni coinvolti nel ricordo,quando è presentata solo parte della forma.Thomas P. Vogl dell'Environmental Re-search Institute of Michigan ha contribuitoalla messa a punto di questo schema.

to del nostro circuito dovrebbe esserepotenziato solo come funzione del mo-mento in cui arriva in relazione agli altriinput che raggiungono lo stesso elemen-to, e non come funzione di attivazionedi quell'elemento.

Un altro principio per la progettazio-ne è stato suggerito dalla riflessione sullecapacità mnemoniche degli esseri uma-ni. Quando un individuo memorizza unaforma (un volto, un nome, una melodiao altro), contrappone una rappresenta-zione di quella forma alle forme perce-pite nell'ambiente. Un sistema teorico dimemoria dovrebbe avere la stessa capa-cità, cioè, dovrebbe avere non solo alcu-ni mezzi per memorizzare una forma chedovrebbe essere richiamata in seguito,ma dovrebbe avere anche un modo perrappresentare un'immagine o forma intempo reale, proprio come alcune areedel cervello rappresentano gli avveni-menti che fanno parte dell'esperienzaumana così come avvengono in temporeale.

Un'analogia con il condizionamentopavloviano può aiutare a definire le fun-zioni della rappresentazione in temporeale e rievocata. Uno stimolo non con-dizionato, come l'odore della carne, unarotazione o un soffio d'aria, scateneràrisposte elettriche in tempo reale nei si-stemi nervosi e una risposta comporta-mentale stereotipata. Il segnale afferen-te non condizionato suscita segnali elet-trici efferenti e, per finire, risposte com-portamentali riproducibili. Nulla vienericordato; l'informazione afferente sem-plicemente «fluisce attraverso» il siste-ma nervoso per vie che sono genetica-mente predeterminate.

Uno stimolo condizionato, come iltintinnio di un campanello o un lampo diluce o un suono, suscita anch'esso rispo-ste elettriche in tempo reale, ma questenon sono le risposte elettriche e compor-tamentali stereotipate suscitate dagli sti-moli non condizionati. Come risultatodell'associazione temporale dello stimo-lo condizionato con lo stimolo non con-dizionato, il primo suscita nuove risposteelettriche e comportamentali. L'infor-mazione che arriva da tale stimolo flui-sce lungo una nuova via che non è pre-determinata geneticamente, ma si è for-mata durante l'apprendimento. Ho chia-mato questa nuova via, caratterizzatada un'efficienza funzionale determinatadall'apprendimento, «via collaterale».

La distinzione tra via adibita al flussoe vie collaterali suggerisce un altro prin-cipio per la progettazione di un sistemadi memoria artificiale. Le vie attraversole quali scorre il flusso dovrebbero ser-vire per la rappresentazione di schemi intempo reale e le vie collaterali dovreb-bero servire per le rappresentazioni ri-cordate o rievocate. Il progetto dovreb-be richiedere che il peso dell'interazionetra elementi nelle vie percorse dal flus-so sia costante ed elevato (così da per-mettere un efficiente trasferimento del-l'informazione), mentre il peso dell'in-

terazione tra elementi nelle vie collate-rali dovrebbe essere inizialmente mini-mo (così da impedire qualunque trasfe-rimento efficace d'informazione) e mo-dificabile in funzione di stimoli in corre-lazione temporale.

Altre caratteristiche del nostro pro-getto di memoria artificiale derivano daosservazioni effettuate su sistemi nervosibiologici. Per esempio, aggregati succes-sivi di neuroni contengono neuroni chericevono stimoli da grandi quantità dineuroni presenti in aggregati precedenti.Un circuito teorico dovrebbe essere stra-tificato e mostrare una convergenza neltrasferimento dei segnali dagli elementidi uno strato a quelli dello strato succes-sivo. Infine, molti studi, tra cui quelli suLimulus e su Hermissenda, dimostranoche l'inibizione sinaptica potenzia il con-trasto tra i segnali ricevuti. Per esempio,i confini o i limiti tra campi di stimolivisivi sono resi più netti dall'inibizionetra neuroni vicini. Una simile inibizionetra elementi a una certa distanza l'unodall'altro dovrebbe anch'essa venire in-corporata in un circuito artificiale.

Utilizzando queste caratteristiche ealtre derivate dai sistemi biologici,

i miei collaboratori e io abbiamo prepa-rato un'applicazione al calcolatore cheabbiamo chiamato DYSTAL (dall'ingleseDynamically Stable Associative Lear-ning, apprendimento associativo dina-micamente stabile). Abbiamo, a questopunto, saggiato la sua capacità di «ap-prendere» le forme: cioè di immagazzi-narle e riconoscerle in un secondo tem-po. Il nostro sistema riusciva ad acquisi-re bene forme come le lettere alfabetichee sequenze di lettere e le riconosceva an-che quando solo parti di esse venivanopresentate in successione, proprio comeuna persona riesce a riconoscere un vol-to famoso dai pochi tratti disegnati da unvignettista.

Il nostro sistema stava davvero impa-rando a riconoscere le forme, dato chela relazione tra ingresso e uscita non eraaffatto preprogrammata in esso. Al con-trario, molti circuiti nervosi artificiali,non basati su un'architettura biologica,riconoscono le forme riducendo gli erro-ri mediante il confronto con uno stan-dard preprogrammato chiamato «istrut-tore»; nessuna informazione è acquisitaglobalmente. Il numero di volte cheoccorre presentare una forma perchéDYSTAL impari a riconoscerla è simile alnumero di volte necessario per addestra-re un gasteropodo. Questo numero rag-giunge le migliaia o le decine di migliaiadi volte qualora i circuiti nervosi artifi-ciali che devono riconoscere una formanon siano basati su sistemi biologici.

Forse la caratteristica più importante,unica, di DYSTAL è la sua capacità di po-ter contenere numeri crescenti di ele-menti senza richiedere l'utilizzazione dicalcolatori dalle potenze proibitive. Inmolti circuiti artificiali ogni elemento ècollegato a ogni altro elemento, dimodo-

ché, quando il numero di elementi au-menta, il numero di interazioni tra essicresce in forma esponenziale. Ciò rendequasi impossibile ai calcolatori attualil'esecuzione dell'elaborazione necessa-ria in modelli che hanno più di 100 ele-menti. Anche se le connessioni tra ele-menti in circuiti di questo tipo dovesserorimanere costanti con l'aumentare delnumero di elementi, i tempi di calcoloper il circuito non aumenterebbero co-munque linearmente e questo per il mo-do in cui si arriva all'equilibrio.

Circuiti nervosi artificiali non biologi-ci raggiungono l'equilibrio grazie ad ag-giustamenti iterativi dello stato di attiva-zione delle connessioni, in modo che cia-scuna di esse si conformi a uno standardinterno prefissato. È implicito in questiprocessi il fatto che essi esigano un mag-gior numero di iterazioni per elemento amano a mano che aumenta il numero diconnessioni. In DYSTAL, però, lo statodelle singole connessioni non viene con-frontato con un valore prefissato, maqueste connessioni arrivano piuttosto aun equilibrio dinamico in cui gli aumentie le diminuzioni di attivazione per uninsieme di presentazioni di forme sonouguali e non ha luogo in proposito alcuncambiamento netto. Come avviene nelcaso della memoria a lungo termine, icambiamenti rilevanti possono divenireirreversibili quando viene superato uncerto valore soglia. Così, DYSTAL richie-de una minore potenza di calcolo rispet-to ai circuiti non biologici iterativi.

Sono state elaborate equazioni perl'effetto cumulativo degli incrementi edelle diminuzioni dello stato di attivazio-ne associati con forme di input ben defi-nite. Le implicazioni di queste elabora-zioni vanno al di là della possibilità dicompiere un calcolo preliminare dei varistati di attivazione del circuito: esse con-sentono, per la prima volta, di valutarele rappresentazioni interne, mediante lequali i circuiti nervosi artificiali possonoimmagazzinare i ricordi. Equazioni delgenere potranno un giorno aiutare i neu-rologi a confrontare le rappresentazioniinterne dei circuiti artificiali e dei circuitibiologici. Un simile confronto farebbenotevolmente progredire la conoscenzadei sistemi biologici e la progettazione diquelli artificiali.

BIBLIOGRAFIA

ALKON DANIEL L., Calcium-MediatedReduction of lonic Currents: A Bio-physical Memory Trace in «Science»,226, n. 4678, 30 novembre 1984.

ALKON DANIEL L. e RASMUSSEN HOW-ARD, A Spada! Temporal Mode! of CeliActivation in «Science», 239, n. 4843, 26febbraio 1988.

ALKON DANIEL L., Memory Traces inthe Brain, Cambridge University Press,1988.

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