1.28.2.4 Inversione olfattiva nei nematodi
Se un’organizzazione del comportamento basata sullo stimolo-risposta fosse un particolare adattamento evolutivo, ad esempio, evolutosi per accelerare la selezione delle azioni in situazioni prevedibili, forse si possono trovare esempi di essi in un modello animale dove abbiamo un’indicazione che l’evoluzione può aver snellito i percorsi dagli stimoli alle risposte. Uno degli organismi modello genetici più studiati e finora l’unico animale adulto con un connettoma completo del suo sistema nervoso è il verme nematode Caenorhabditis elegans con i suoi 302 neuroni. Il connettoma di C. elegans è dominato da connessioni feedforward dai neuroni sensoriali ai neuroni motori (Qian et al., 2011), quindi forse il sistema nervoso di questo nematode è un candidato promettente per trovare “risposte” nel significato letterale della parola.
Un comportamento ben caratterizzato in questo nematode è il comportamento inverso. Si verifica ogni volta che l’animale incontra stimoli avversi, come certi odori. Il circuito che controlla questo comportamento può essere descritto con soli 4 neuroni, le loro 44 connessioni chimiche e le loro sinapsi elettriche. Un componente centrale del sistema è un neurone chiamato AVA. Quando AVA è attivo, l’animale inverte la sua rotta. L’input sensoriale a questo neurone è fornito da un neurone olfattivo, AWC. Per esempio, se AWC è stimolato da un odorante attraente, smette di sparare, così AVA perde l’input eccitatorio e smette anche di sparare, rendendo le inversioni meno probabili. Al contrario, l’attivazione sperimentale dell’AWC o con un odore repulsivo aumenta la probabilità di inversioni attivando sinapticamente l’AVA (Gordus et al., 2015). Due ulteriori neuroni sono coinvolti in questo circuito, AIB e RIM, e la caratterizzazione del loro ruolo nel circuito è fondamentale per comprendere l’organizzazione del comportamento di inversione mediato dall’olfatto in C. elegans.
La prima osservazione interessante dalla connettività del circuito è che ci sono più connessioni dal neurone sensoriale AWC all’interneurone AIB che al neurone di inversione AVA. Questo è inaspettato, se la funzione principale dei sistemi nervosi fosse quella di trasmettere informazioni sensoriali ai centri motori. L’imaging di questo circuito in vermi immobilizzati in assenza di qualsiasi stimolo rivela un complesso modello di attività correlata in tutti i neuroni. È interessante notare che i neuroni mostrano una sorta di stato di attività binario, che per la maggior parte è acceso (neurone attivo) o spento (neurone inattivo). Quantificando le fluttuazioni di attività in questo circuito, si scopre che ci sono tre stati principali (degli otto teoricamente possibili) in cui il circuito si trova comunemente: poco più del 60% del tempo il sistema è in “tutto on”, circa il 20% è “tutto off”, e per il restante 20% è nello stato “solo AIB on”. Questa osservazione produce due intuizioni: In primo luogo, anche senza alcuna stimolazione, queste dinamiche di rete possono generare inversioni spontanee senza richiedere alcun input sensoriale. In secondo luogo, ogni stimolo olfattivo che raggiunge l’AWC interagisce con lo stato in cui si trova attualmente il circuito, piuttosto che arrivare in un circuito quiescente e innescare un’attività neurale che prima non c’era. La conseguenza comportamentale di questa interazione non è solo il verificarsi di inversioni spontanee, ma anche il verificarsi di inversioni “spontanee” in presenza di un odore avverso. In altre parole, il circuito di inversione è probabilistico e senza osservare il sistema nervoso del verme, è impossibile dire quanto il comportamento osservato sia effettivamente spontaneo.
Sperimentalmente il silenziamento di uno o entrambi gli interneuroni in questo circuito rivela che il ruolo di AIB e RIM è quello di aumentare la variabilità del circuito di inversione. Mentre l’input al circuito dal neurone olfattivo AWC è sempre molto preciso e prevedibile se, ad esempio, viene presentato un odore, l’attività del circuito di inversione varia sempre in modo significativo e questa variabilità è ridotta se AIB, RIM, o entrambi sono silenziati (Gordus et al., 2015). Questa scoperta fa un caso eccellente per RIM e AIB essere incorporato nel circuito di inversione specificamente per iniettare la variabilità tanto necessaria in un circuito di inversione altrimenti disadattato deterministico. Sorprendentemente, anche se le connessioni feedforward dominano la connettività anche in questo piccolo circuito, la variabilità fornita dalle connessioni di feedback domina una caratteristica adattativa del comportamento, la sua variabilità. Questo lavoro aggiunge C. elegans alla lista sempre più lunga di animali il cui sistema nervoso è organizzato in modo tale che l’attività in corso è semplicemente modulata da stimoli esterni. Nel caso del nematode, sembra che dei quattro neuroni che compongono questo circuito, due esistono per la sola ragione di attenuare gli effetti che gli stimoli hanno sul comportamento dell’animale, per renderlo più autonomo rispetto al suo ambiente. Se un animale con solo 302 neuroni, che, come in tutti gli altri animali, costituiscono il tessuto energeticamente più costoso, dedica il 50% di un circuito a contrastare gli effetti delle connessioni stimolo-risposta nel suo sistema nervoso, allora non si possono sottovalutare le implicazioni di questa scoperta per l’organizzazione del comportamento negli animali in generale.
Quindi, contrariamente all’idea che un connettoma dominato da connessioni feedforward dalle aree sensoriali a quelle motorie implichi che esso calcoli principalmente l’output motorio a partire dall’input sensoriale, anche il sistema nervoso di C. elegans è caratterizzato al meglio da un’attività in continuo cambiamento, molto simile a molti altri sistemi nervosi precedentemente studiati in questo senso. Sembra che anche una componente di feedback numericamente piccola fornisca un contributo fondamentale all’architettura complessiva anche di tali reti dominate da feedforward. Cosa significa questo per i cervelli, come quelli dei mammiferi, la cui neuroanatomia sembra essere dominata da cicli di feedback?