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Development of synaptic networks in songbirds

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Mappare il cervello degli uccelli per comprendere il modo in cui apprendono il canto

Alcune tecniche innovative stanno rivelando maggiori informazioni sulle strutture cerebrali implicate nell’apprendimento vocale degli uccelli canori.

Ricerca di base

Il modo in cui gli uccelli canori imparano a cantare è un comportamento complesso e presenta varie similitudini con il processo di apprendimento della parola e del linguaggio degli esseri umani, ma le sue precise fasi di esecuzione non sono chiare. Il progetto DESYNE, finanziato dall’UE, ha esplorato più a fondo il cervello degli uccelli per saperne di più e per svelare i cambiamenti ultrastrutturali che si verificano nel cervello degli uccelli canori durante l’apprendimento vocale. L’attenzione è stata posta su una specifica regione premotoria del cervello nota come centro regolatore del canto (HVC, High Vocal Center). L’HVC svolge un ruolo importante nell’apprendimento canoro, essendo coinvolto sia nella percezione che nella produzione dei canti. Per comprendere i meccanismi neurali coinvolti nella memorizzazione del canto e nella sua successiva comparsa in età adulta, DESYNE ha mappato le reti delle connessioni sinaptiche con l’HVC. L’idea è stata quella di esplorare le connessioni per capire il funzionamento dell’esperienza di apprendimento canoro. La ricerca è stata condotta con il sostegno delle azioni Marie Skłodowska-Curie. «La ricerca sui circuiti neurali degli uccelli canori è tecnicamente molto impegnativa, ed è per questo che è stata posta grande enfasi sullo sviluppo dei metodi atti a consentire tali indagini. Dal progetto è nata una nuova tecnologia entusiasmante per studiare nel dettaglio la struttura e la funzione di specifici elementi della rete durante l’apprendimento vocale», spiega Daniel Düring, professore dell’Istituto di neuroinformatica presso l’Università di Zurigo. In futuro, la ricerca potrebbe esercitare un impatto rilevante anche sugli esseri umani. «Considerate le numerose analogie tra l’acquisizione del linguaggio negli esseri umani e l’apprendimento canoro negli uccelli, riteniamo che le informazioni sulla struttura dei circuiti neurali potranno essere estese e tradotte anche negli studi umani, e crediamo che potrebbero aiutarci a comprendere meglio le neuropatologie correlate al linguaggio per lo sviluppo di nuove strategie di trattamento», afferma Richard Hahnloser, anch’egli professore dell’Istituto di neuroinformatica e coordinatore del progetto DESYNE.

Un semplice canto comporta alterazioni cerebrali complesse

Il progetto si è rivolto allo studio dei diamanti mandarino. «Il canto dei diamanti mandarino è piuttosto semplice e stereotipato, il che ne rende più facile l’analisi rispetto a quelli della maggior parte degli altri uccelli canori. In modo analogo ai neonati, i giovani uccelli canori imparano a copiare il canto attraverso una guida adulta», aggiunge Hahnloser. Al fine di chiarire e caratterizzare i cambiamenti strutturali del cervello degli uccelli, necessari per l’apprendimento vocale, il team di ricerca ha messo a confronto la struttura cerebrale delle regioni coinvolte nell’apprendimento e nella produzione dei canti, tra gli uccelli esposti al canto di una guida, da una parte, e quelli che non avevano mai ascoltato un modello vocale, dall’altra.

Nuovi strumenti per svelare come gli uccelli apprendono il canto

Per studiare la struttura e la funzione degli elementi specifici in una rete di neuroni, è necessario un modo per accedere a specifici tipi di cellule e identificarle in modo selettivo: ciò avviene generalmente attraverso l’utilizzo di un cosiddetto vettore virale, che impiega proteine fluorescenti per identificare tipi di cellule specifici. Purtroppo, nessuno dei vettori virali esistenti sembrava funzionare con gli uccelli canori: il team ha pertanto realizzato una propria versione. «Grazie a questo progetto e a una collaborazione internazionale tra i laboratori del Politecnico federale di Zurigo, la Società Max Planck in Germania e l’Università di Tokyo, abbiamo potuto progettare un vettore virale per gli uccelli canori tale da poter contribuire, a nostro avviso, allo studio dei circuiti neurali degli uccelli con un livello di dettaglio e precisione mai raggiunto in precedenza da parte di molti altri laboratori», osserva Düring.

Un vettore per la ricerca futura

Il team sta ora utilizzando questa creazione per far avanzare le proprie ricerche in nuovi percorsi. «Stiamo usando il nostro vettore virale per studiare lo sviluppo strutturale di una particolare classe di neuroni di proiezione, ovvero quelli che collegano la regione premotoria vocale chiamata HVC con una regione del prosencefalo nota come Area-X,” afferma Düring. Inoltre, il team sta perfezionando ulteriormente le proprie tecnologie cercando di includere i segnali dei marcatori sinaptici nell’acquisizione delle immagini di ampi volumi di tessuti cerebrali.

Parole chiave

DESYNE, uccello, cervello degli uccelli, canto, uccello canoro, HVC, apprendimento vocale, diamante mandarino, circuito neurale

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