L’apprendimento multisensoriale lega i neuroni in una croce

Natura volume 617, pagine 777–784 (2023) Citare questo articolo

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L'associazione di più segnali sensoriali con oggetti ed esperienze è un processo cerebrale fondamentale che migliora il riconoscimento degli oggetti e le prestazioni della memoria. Tuttavia, i meccanismi neurali che legano le caratteristiche sensoriali durante l’apprendimento e aumentano l’espressione della memoria sono sconosciuti. Qui dimostriamo la memoria multisensoriale appetitiva e avversiva nella Drosophila. La combinazione di colori e odori ha migliorato le prestazioni della memoria, anche quando ciascuna modalità sensoriale è stata testata da sola. Il controllo temporale della funzione neuronale ha rivelato che le cellule Kenyon (KC) del corpo di un fungo visivamente selettive sono necessarie per il miglioramento della memoria sia visiva che olfattiva dopo l'allenamento multisensoriale. L'imaging della tensione nelle mosche con la testa fissa ha mostrato che l'apprendimento multisensoriale lega l'attività tra flussi di KC specifici per la modalità in modo che l'input sensoriale unimodale generi una risposta neuronale multimodale. Il legame avviene tra regioni degli assoni KC olfattivi e visivi, che ricevono un rinforzo dopaminergico rilevante per la valenza, e si propaga a valle. La dopamina rilascia localmente l'inibizione GABAergica per consentire a microcircuiti specifici all'interno dei neuroni serotoninergici che abbracciano KC di funzionare come un ponte eccitatorio tra i flussi KC precedentemente "modalità-selettivi". Il legame cross-modale espande quindi i KC che rappresentano l'engramma di memoria per ciascuna modalità in quelli che rappresentano l'altro. Questo ampliamento dell'engramma migliora le prestazioni della memoria dopo l'apprendimento multisensoriale e consente a una singola caratteristica sensoriale di recuperare la memoria dell'esperienza multimodale.

La vita è una ricca esperienza multisensoriale per la maggior parte degli animali. Di conseguenza, i sistemi nervosi si sono evoluti per utilizzare rappresentazioni multisensoriali di oggetti, scene ed eventi per guidare il comportamento nel modo più efficace1. È ampiamente riconosciuto che l'apprendimento multisensoriale migliora le prestazioni della memoria, dai bambini in classe ai roditori e insetti negli esperimenti di laboratorio controllati2,3,4,5. Inoltre, una caratteristica apparentemente universale e inspiegabile dell'apprendimento multisensoriale è che esso migliora le successive prestazioni della memoria anche per le componenti unisensoriali separate3,5. Studi condotti su esseri umani e altri mammiferi hanno suggerito che l'apprendimento multisensoriale trae vantaggio dalle interazioni tra cortecce modalità specifiche che erano coattive durante l'addestramento e che i sensi individuali possono riattivare entrambe le aree durante il test3,6,7,8,9. Inoltre, le cellule in diverse regioni del cervello rispondono a molteplici segnali sensoriali e le proporzioni o i numeri cambiano dopo l’apprendimento multisensoriale1,10,11,12. Tuttavia, attualmente non disponiamo di una comprensione meccanicistica dettagliata di come l’apprendimento multisensoriale converte i neuroni da modalità selettive a multimodali e di come le prestazioni migliorate della memoria multisensoriale e unisensoriale potrebbero essere supportate da tale processo.

Nella Drosophila, popolazioni uniche di KC del corpo del fungo (MB) ricevono input dendritici predominanti e anatomicamente segregati dai neuroni di proiezione olfattiva o visiva (così come dagli interneuroni visivi locali) e i loro assoni si proiettano come flussi paralleli nei lobi MB. Lì, compartimenti successivi dell'albero assonale di ciascun KC sono intersecati dalle presinapsi dei neuroni dopaminergici (DAN) che trasmettono gli effetti di rinforzo degli stimoli appetitivi o avversivi13,14. Il rinforzo della dopamina deprime le sinapsi tra le KC attive e i dendriti ristretti in compartimenti dei neuroni di uscita MB a valle per codificare ricordi specifici della valenza15,16,17.

Per studiare l'apprendimento multisensoriale in Drosophila, abbiamo adattato il T-labirinto olfattivo18 in modo che colori e odori possano essere presentati insieme (Fig. 1a). Le mosche private del cibo sono state addestrate presentando loro un colore e/o un odore (stimolo condizionato meno (CS−)), seguito da un altro colore e/o odore (stimolo condizionato più (CS+)) abbinato a una ricompensa in zucchero (Fig. 1a,b). Quando addestrate e testate solo con i colori (apprendimento visivo), le mosche non hanno mostrato una preferenza appresa significativa per il colore precedentemente abbinato allo zucchero (Fig. 1b-d e Dati estesi Fig. 1a). Tuttavia, la combinazione dei colori con gli odori (protocollo congruente) ha prodotto una memoria robusta e duratura, che è stata significativamente migliorata rispetto a quella formata dall'allenamento con soli odori (apprendimento olfattivo) (Fig. 1b-d e Dati estesi Fig. 1a, b). Se le combinazioni di colore e odore venivano scambiate tra allenamento e test (protocollo incongruente) (Fig. 1b-d e Dati estesi Fig. 1a, b), non è stato osservato alcun miglioramento della memoria. Inoltre, il miglioramento della memoria non era evidente se lo stesso colore veniva presentato con odori CS− e CS+ durante l'addestramento e i test (Dati estesi Fig. 1c). L’effetto di miglioramento della memoria dell’apprendimento multisensoriale richiede quindi una relazione appresa tra specifiche combinazioni di colori e odori. Per la memoria misurata 6 ore dopo l'allenamento, il protocollo incongruente ha rivelato prestazioni significativamente ridotte rispetto a quelle successive all'apprendimento olfattivo (Fig. 1d), suggerendo che le mosche sono in conflitto quando la contingenza colore-odore viene cambiata tra allenamento e test.