Riassunto analitico
Lo studio dei meccanismi dell’apprendimento e della memoria è sicuramente tra i più complessi di tutta la branca delle neuroscienze. La struttura di elezione per la ricerca sull’argomento è l’ippocampo, sede in cui avviene la formazione della memoria dichiarativa. Infatti, è studiando questo tessuto che si è scoperto il meccanismo biochimico deputato a tali funzioni: il potenziamento sinaptico a lungo termine (long-term potentiation o LTP). Con il progredire delle scoperte in campo neurologico, è apparso evidente che funzioni simili fossero espletate anche da altre strutture cerebrali (come l’amigdala, nel condizionamento alla paura) e che la plasticità sinaptica fosse uno strumento comune a gran parte dei tipi cellulari neuronali. La struttura cerebellare comincia ad essere presa in considerazione solo a partire dagli anni ‘60/’70, quando Eccles, Szentàgothai ed Ito descrissero l’architettura della corteccia del cervelletto, definendo la natura eccitatoria ed inibitoria di ogni tipo cellulare, e Marr, seguito poi da Albus, pubblicò le sue dissertazioni sulla plasticità che si verifica in queste regioni. Le rivelazioni che seguirono portarono ad una concezione completamente diversa del cervelletto, che non era più solo l’organo del sistema nervoso centrale deputato al controllo ed alla compensazione motoria, ma diventava la sede dell’apprendimento dei movimenti, anche intesi come pattern motori complessi. Uno dei primi studi che coinvolsero la plasticità sinaptica cerebellare fu quello sul condizionamento dell’ammiccamento, in cui vengono attivate diverse vie afferenti ed efferenti del cervelletto, poiché sia le informazioni dello stimolo condizionato (CS) che quelle dello stimolo incondizionato (US) vengono elaborate in questa struttura. Inoltre, le aree cerebellari sono apparse come la sede della traccia della memoria a lungo termine per questo tipo di apprendimento. Per quanto riguarda l’influenza della plasticità sinaptica cerebellare sulle altre strutture, sono stati effettuati studi che hanno messo in relazione il cervelletto con la corteccia motoria, sottolineando come l’eccitabilità cerebellare venga modulata dall’adattamento (l’apprendimento), mentre l’eccitabilità della corteccia motoria sia coinvolta solo in base alla difficoltà del movimento da svolgere. Inoltre, è stata provata la modulazione cerebellare della plasticità della corteccia motoria primaria (M1), tramite l’utilizzo della stimolazione associativa abbinata (PAS). In pratica, l’eccitazione della corteccia cerebellare impedirebbe l’acquisizione di elementi di un nuovo pattern motorio da parte di M1; al contrario, l’inibizione della corteccia cerebellare permetterebbe ad altri input di indurre cambiamenti nella plasticità della corteccia motoria. Il cervelletto è anche la sede dell’elaborazione del condizionamento alla paura ed è quindi in grado di modulare il comportamento emotivo. In particolare, le zone più importanti per l’elaborazione delle emozioni e la generazione delle risposte autonome sarebbero il cervelletto anteriore intorno al verme ed il verme posteriore. Infine, è importante considerare la fisiopatologia cerebellare e quali meccanismi siano compromessi in caso di degenerazione dei tessuti. Gli studi sulle degenerazioni croniche cerebellari e sul condizionamento dell’ammiccamento in risposta ad una minaccia hanno dimostrato che il cervelletto non è solo la sede dell’apprendimento adattativo, ma anche, almeno in parte, la sede della formazione della memoria, che quindi viene distrutta dalla degenerazione. In conclusione, uno degli aspetti più interessanti da considerare è la possibilità di attuare una terapia riabilitativa che agisca sulla plasticità sinaptica, in modo da permettere una riorganizzazione delle reti neurologiche che controllano le sequenze motorie.
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Abstract
The study of mechanism underlying learning and memory is one of the most ambitious challenge in the field of Neuroscience. The hippocampus, the site where declarative memory is formed, has been the structure employed for most of the cellular and biochemical analysis. In fact, by analysing this tissue, has been discovered the long-term potentiation (or LTP), the biochemical mechanisms at the basis of learning and memory. Recent advances in neurology evidenced that similar functions were performed also by other structures (i.e. the amygdala, in fear conditioning) and that synaptic plasticity is a common tool for several neuronal cell types.
Cerebellar structure begins to be taken into account just by 60s/70s, when Eccles, Szentàgothai and Ito described cerebellar cortex architecture for the first time, determining in detail, the excitatory and inhibitory nature of each cell type together with their reciprocal connections: Moreover Marr, followed by Albus, published his dissertation about the plasticity occurring in these regions. The following discoveries brought to a completely different conception about the cerebellum, which was more considered simply as the site for motor control and compensation, but it became the site of motor learning.
One of the first studies which involved cerebellar synaptic plasticity was the eyeblink conditioning, where some cerebellar afferent and efferent pathways are activated, since conditioned stimulus (CS) and unconditioned stimulus (US) information are processed in this structure. Moreover, cerebellar areas are the site of long-term memory trace generated by this kind of learning.
Regarding cerebellar the influence of cerebellar synaptic plasticity on other structures, several studies attempted to relate the cerebellum and the motor cortex, stressing how adaptation (learning) modulates cerebellar excitability, while motor cortex excitability is involved just according to movements difficulty. The cerebellar cortex excitation would prevent primary motor cortex to acquire elements from a new motor pattern; on the contrary, cerebellar cortex inhibition would allow other structures to provide changes in motor cortex plasticity. From this point of view, a complicated movement could be considered as a sequence of simple movements continuously anticipated and planned for an efficient execution.
Cerebellum is also the site where fear conditioning is elaborated and it’s capable to modulate emotional behaviour. In particular, the most important sites that process emotions and autonomic responses are anterior cerebellum around the vermis and posterior vermis.
Finally, it’s also important to consider cerebellar physiopathology and the mechanisms impaired by tissue degenerations. Studies about chronic cerebellar degenerations and eyeblink conditioning to a visual threat proved that cerebellum is the site of adaptive learning and also the site for the memory storage. In conclusion, a remarkable topic to consider is related to the implementation of rehabilitation therapies regulating synaptic plasticity by employing advanced technologies like Trans-cranial Magnetic Stimulation, to reorganize neurological networks to allow the control of motor sequences.
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