Frontiers in Molecular Neuroscience

Background

Nei mammiferi, regioni cerebrali interconnesse, compresi i lobi temporali mediali, le cortecce frontale e cingolata e il diencefalo, supportano la formazione di nuovi ricordi (Aggleton, 2014). Una caratteristica importante di queste reti neurali estese è la convergenza anatomica delle connessioni corticali e del lobo temporale mediale all’interno dei nuclei anteriori (ATN) e dei nuclei laterodorsali (LD) del talamo. Prove comportamentali e fisiologiche indicano anche che queste strutture talamiche sono hub importanti all’interno del circuito della memoria. Tuttavia, come l’ATN e il LD influenzino questo circuito non è ancora ben compreso.

Negli esseri umani, i danni all’ATN da ictus, abuso di alcol o disturbi neurodegenerativi sono associati a una ridotta capacità di formare nuovi ricordi (Harding et al., 2000; Van der Werf et al., 2000, 2003; Carlesimo et al., 2011; Kopelman, 2015; Aggleton et al., 2016; Perry et al., 2018). I modelli animali con danni all’ATN sono anche compromessi nella formazione di nuovi ricordi. Per esempio, lesioni localizzate all’ATN in primati non umani hanno compromesso il nuovo apprendimento in un compito di memoria di tipo episodico (Parker e Gaffan, 1997). Allo stesso modo, le lesioni eccitotossiche all’ATN nei roditori determinano costantemente gravi deficit di memoria spaziale in compiti che coinvolgono la navigazione allocentrica (Aggleton e Brown, 1999; Mitchell e Dalrymple-Alford, 2005; Aggleton e Nelson, 2015; Dalrymple-Alford et al., 2015; Perry et al., 2018; Wolff e Vann, 2019). I deficit dopo le lesioni ATN non sono limitati alla navigazione spaziale però. Per esempio, i roditori sono compromessi anche nel fare discriminazioni bicondizionali, nell’elaborazione della memoria contestuale, nel formare associazioni fisse appaiate tra un oggetto e un luogo, e nel riprodurre un’accurata memoria di ordine temporale per una lista di odori precedentemente presentati (Sziklas e Petrides, 1999; Gibb et al., 2006; Wolff et al., 2006; Law e Smith, 2012; Dumont et al., 2014). Il contributo del LD alla memoria spaziale è stato finora esaminato esplicitamente solo in due studi. In uno studio, l’inattivazione del LD ha portato ad un aumento degli errori di memoria di riferimento nel labirinto radiale, e nell’altro studio, le lesioni eccitotossiche del LD hanno compromesso l’acquisizione del labirinto acquatico e la ritenzione di una posizione fissa della piattaforma (Mizumori et al., 1994; van Groen et al., 2002). Ulteriori prove causali da studi sui ratti che hanno combinato o esteso le lesioni nel LD con quelle nell’ATN sostengono il suo ruolo nella memoria spaziale (Warburton et al., 1997; Wilton et al., 2001).

L’ATN e il LD si trovano in un punto di convergenza all’interno di una complessa serie di collegamenti corticali e sottocorticali (Figura 1; Aggleton et al., 2010; Jankowski et al., 2013; Dalrymple-Alford et al., 2015). Questi includono collegamenti diffusi, spesso reciproci, con la corteccia frontale, la corteccia cingolata, specialmente la corteccia retrospleniale (RSC), e la formazione ippocampale (Shibata, 1998, 2000; van Groen et al., 2002; Shibata e Naito, 2005). Uno dei principali punti di differenza tra l’ATN e il LD sono le afferenze sottocorticali primarie che ricevono. L’ATN riceve le sue afferenze primarie ascendenti dai corpi mammillari (MB), che sono anche fortemente implicati nell’elaborazione mnemonica (Vann, 2010). Gli ingressi al MB hanno origine nel sistema vestibolare e passano attraverso i nuclei tegmentali del mesencefalo di Gudden (Guillery, 1955, 1956; Taube, 2007). Il LD riceve le sue afferenze primarie ascendenti da strutture visive, tra cui il pretetto, il collicolo superiore e il nucleo genicolato laterale ventrale (Thompson e Robertson, 1987).

L’ATN può essere diviso in tre subnuclei: anterodorsale (AD), anteroventrale (AV) e anteromediale (AM: Figura 1). Le differenze nella loro connettività sono state legate a specifiche distinzioni funzionali tra loro (Aggleton et al., 2010). Per un’eccellente descrizione della connettività anatomica dell’ATN attraverso le specie, vedi Bubb et al. (2017). Al contrario, le distinzioni anatomiche e funzionali del LD non sono così ben definite, ma ci sono alcune prove di una divisione dorsolaterale-ventromediale (Thompson e Robertson, 1987). La connettività neuroanatomica nota indica che il LD fornisce input visivi chiave al sistema ippocampale esteso e alla corteccia entorinale.

L’aspetto dorsale del LD, e l’AD sono proposti per formare parte di un circuito laterale di direzione della testa insieme al postsubicolo, al MB laterale e al RSC (Taube, 2007). Questo circuito è caratterizzato da cellule che sparano preferenzialmente quando la testa degli animali è orientata in una direzione specifica, agendo un po’ come una bussola. Prove recenti indicano che le cellule della direzione della testa sia nella LD che nella AD codificano separatamente la direzione della testa e del movimento del ratto (Enkhjargal et al., 2014). È stato riportato che le cellule di direzione della testa nella LD differiscono da quelle nella AD, in quanto sono altamente dipendenti da spunti visivi, mentre le cellule di direzione della testa nella AD possono formare spari altamente direzionali dopo l’esposizione iniziale a un ambiente, e possono essere mantenute in assenza di spunti visivi (Mizumori e Williams, 1993; Goodridge et al., 1998). Queste differenze sono probabilmente generate da differenze nei loro rispettivi input (Figura 1). L’implicazione funzionale di queste differenze non è ancora chiara, anche se entrambi i tipi di informazioni sono chiaramente necessari per una navigazione efficace.

In contrasto con il LD e AD, il AV e AM sono proposti per formare parte di un circuito theta con il MB mediale, corteccia prefrontale (PFC), RSC, e formazione ippocampale (Vann e Aggleton, 2004; Jankowski et al., 2013). I ritmi theta (3-8 Hz negli esseri umani, ma 4-12 Hz nei roditori) all’interno di questo circuito sono pensati per sincronizzare le popolazioni di neuroni situati distalmente e fornire un quadro per la comunicazione inter-strutturale necessaria per funzioni cognitive complesse, come l’elaborazione della memoria (Buzsáki, 2002, 2005; Kirk e Mackay, 2003; Rutishauser et al., 2010; Colgin, 2011). L’AV e l’AM contengono anche alcune cellule di direzione della testa, e l’AM alcune cellule simili a griglie, suggerendo che possono essere importanti punti di convergenza tra più flussi di informazioni che vengono filtrati e passati alla corteccia (Aggleton et al., 2010; Tsanov et al., 2011a,b,c; Jankowski et al., 2015).

Importanti differenze tra il LD, AV, AD e AM sono osservate anche nel modello di connessioni corticali che ricevono (Figura 1). Questo è particolarmente vero per la AM, che è collegata a molte aree della PFC, compresa la PFC mediale e la corteccia cingolata anteriore (ACg; Hoover e Vertes, 2007; Xiao et al., 2009; Jankowski et al., 2013). Ulteriori differenze si trovano nei loro rispettivi collegamenti con la RSC. L’AD e l’AV sono prevalentemente interconnessi con il RSC granulare, che è principalmente coinvolto nell’elaborazione della navigazione, mentre l’AM è prevalentemente connesso con il RSC disgranulare, che è principalmente coinvolto nell’elaborazione visiva (van Groen e Wyss, 1990, 1992, 1995, 2003; van Groen et al., 1999; Shibata, 1998). Il LD ha connessioni reciproche con il RSC granulare e disgranulare (Sripanidkulchai e Wyss, 1986; Shibata, 1998, 2000). Inoltre, le afferenze RSC all’AD, AV e AM hanno origine nello strato VI, suggerendo che l’RSC modula il modo in cui l’ATN comunica con altre strutture, mentre il LD riceve entrambi gli ingressi dello strato V (driver) e VI (modulatore). Il LD ha anche proiezioni reciproche con l’area Brodmann 18b della corteccia visiva, mentre l’AM proietta solo alla corteccia visiva (Thompson e Robertson, 1987; van Groen e Wyss, 1992; Shibata e Naito, 2005). Infine, solo LD e AV condividono connessioni reciproche con la corteccia motoria secondaria, ma tutti e quattro i nuclei talamici proiettano alla corteccia entorinale (Shibata e Naito, 2005).

Sintesi dei principi stabiliti

Il talamo si trova in un’importante interfaccia tra la corteccia e i suoi numerosi input. Ogni parte della corteccia riceve un input talamico, e con poche eccezioni, ad esempio l’input olfattivo, il talamo è l’unico fornitore di informazioni sensoriali e sottocorticali alla corteccia (Sherman, 2017). I primi studi sui relè sensoriali transtalamici hanno suggerito una replica quasi uno a uno del segnale afferente primario ascendente nel talamo. Questi risultati hanno portato alla visione ormai consolidata del talamo come un relè passivo di informazioni alla corteccia (Sherman, 2017). In questa visione, qualsiasi trasformazione cognitivamente rilevante delle informazioni sensoriali o sottocorticali ascendenti si verificherebbe solo una volta che sono passate attraverso il talamo e hanno raggiunto siti di elaborazione di ordine superiore nella corteccia (Halassa, 2018). Nel loro articolo seminale, Sherman e Guillery (1996) hanno sfidato questa visione semplicistica della funzione talamica, suggerendo invece che il talamo contiene almeno due tipi di nuclei; nuclei di “primo” ordine di informazioni sensoriali o sottocorticali come precedentemente proposto, e anche nuclei di ordine “superiore” che influenzano l’attività corticale sostenendo il “trasferimento” di informazioni da un’area della corteccia all’altra. Citando un gran numero di prove anatomiche e fisiologiche sulla via visiva formata dal nucleo genicolato laterale, Sherman e Guillery (1996) hanno dimostrato che anche nei nuclei di primo ordine, il ruolo del talamo è altamente dinamico con la capacità di modulare le informazioni che passa alla corteccia.

Nuclei di primo ordine

I nuclei talamici di “primo” ordine sono quelli che ricevono afferenze primarie ascendenti o input “driver” da regioni sensoriali periferiche o sottocorticali (Sherman e Guillery, 1996). Un esempio è l’input retinico nel nucleo genicolato laterale del talamo, che viene “trasmesso” alla corteccia visiva. I nuclei del primo ordine ricevono anche afferenze “modulatrici” distinte e fini dallo strato VI della corteccia (Sherman e Guillery, 1996; Sherman, 2016). Questa modulazione è generalmente legata alla via inibitoria del GABA che passa attraverso il nucleo reticolare talamico (TRN). Gli ingressi modulatori fanno parte di un circuito reciproco, il che significa che le afferenze corticali dello strato VI proiettano alla stessa regione talamica che innerva i neuroni corticali dello strato VI (Sherman, 2016). Gli ingressi “driver” forniscono il principale input funzionale alle cellule relè talamiche e gli ingressi “modulatori” cortico-reticolari-talamici forniscono un mezzo per “gate” o controllare il flusso di informazioni alla corteccia (Sherman, 2016).

Nuclei di ordine superiore

A differenza dei nuclei di “primo” ordine, i nuclei di ordine “superiore” ricevono poche o nessuna afferenza sensoriale o sottocorticale ascendente comparabile, ma ricevono invece due tipi di afferenze dalla corteccia (Sherman e Guillery, 1996). Uno di questi è proprio come l’input modulatorio cortico-reticolo-talamico dello strato VI ricevuto dai nuclei di primo ordine. L’altro è composto da afferenze grossolane da cellule piramidali situate nello strato V (Sherman, 2016). Pertanto, i nuclei di ordine superiore rappresentano parte di una via feed-forward cortico-talamo-corticale che “rilancia” le informazioni da una parte all’altra della corteccia. È interessante notare che prove recenti hanno dimostrato che l’attivazione optogenetica del nucleo talamico mediodorsale (MD), un nucleo di ordine superiore per la PFC, non sembra alterare la specificità delle rappresentazioni corticali, ma piuttosto migliora la connettività effettiva locale all’interno della PFC (Schmitt et al., 2017).

Visto il rilievo dell’ATN e del LD nella formazione della memoria, vale la pena considerare come potrebbero adattarsi al modello di Sherman e Guillery (1996). Tale considerazione porta a una serie di ipotesi verificabili per quanto riguarda il contributo funzionale di ATN e LD al più ampio circuito di memoria ippocampale esteso e forse potrebbe approfondire la nostra comprensione del perché si verificano deficit di memoria così profondi quando sono danneggiati. La prossima sezione esamina lo stato delle nostre conoscenze attuali riguardo alle interazioni funzionali tra ATN, LD e i loro siti corticali interconnessi.

Lo stato attuale dell’arte

Le differenze neuroanatomiche note indicano che piuttosto che considerare l’ATN o LD come un’intera struttura, dovremmo invece considerare i loro subnuclei come entità separate. Il lavoro precedente ha dimostrato che gli attributi fisiologici degli ingressi di guida all’AD dal MB laterale e le afferenze modulatrici dalla corteccia lo implicano come un relè di primo ordine (Petrof e Sherman, 2009). Inoltre, nuove prove molecolari hanno rafforzato l’eterogeneità funzionale dei subnuclei ATN. Phillips et al. (2018) hanno sviluppato un atlante trascrittomico completo del talamo del topo. La maggior parte dei nuclei talamici appartengono a uno dei tre cluster principali, che sembrano trovarsi su un unico continuum relativo all’asse mediodorsale talamico, con ogni data regione corticale che riceve input da ciascuno di questi cluster. È interessante notare che i subnuclei ATN non si sono raggruppati insieme, piuttosto AV insieme a LD è caduto nel cluster “primario”. I nuclei all’interno di questo cluster erano arricchiti di geni che codificano neurotrasmettitori, canali ionici e molecole di segnalazione, che contribuiscono alla cinetica dei canali più veloce e ai potenziali d’azione più stretti. Al contrario, AM, insieme a regioni come MD, cadde nel cluster “secondario”, che erano fortemente arricchiti in geni neuromodulatori. C’è una forte evidenza che almeno un subnucleo della MD, la MD parvocellulare nei primati non umani, è un relè di ordine superiore per la PFC dorsolaterale, in quanto riceve input da entrambi i neuroni dello strato V e VI e sembra modulare la connettività intercorticale (Schwartz et al., 1991; Rovó et al., 2012; Mitchell, 2015; Collins et al., 2018). L’AM sembra anche ricevere input dallo strato V e VI della corteccia, almeno nei primati non umani, sollevando la possibilità che possa agire come un relè di ordine superiore (Xiao et al., 2009), anche se nel ratto, è stato classificato come un relè di primo ordine (Varela, 2014). È interessante notare che l’AD del topo non sembra essere conforme a nessuno dei tre cluster definiti da Phillips et al. (2018).

Oltre a queste differenze molecolari, c’è una crescente evidenza che ATN è più di un relè passivo di informazioni ipotalamiche e del tronco encefalico alla corteccia. Lavori recenti hanno dimostrato come le manipolazioni selettive in ATN hanno un profondo impatto su molte strutture della corteccia limbica, contribuendo probabilmente ai deficit cognitivi osservati nei mammiferi con danni ATN. Per esempio, l’inattivazione temporanea dell’ATN del ratto ha alterato i modelli di sparo a griglia dei neuroni della corteccia entorinale mediale (MEC), mentre le lesioni ATN hanno ridotto il numero di neuroni a griglia nella MEC (Winter et al., 2015). Questa prova supporta l’ipotesi che gli ingressi delle cellule di direzione della testa da ATN sono coinvolti nella formazione di modelli di cellule griglia MEC (Winter et al., 2015). Inoltre, i traccianti virali hanno dimostrato il percorso per il trasferimento delle informazioni sulla direzione della testa dall’AD al MEC attraverso il presubicolo (Huang et al., 2017), con la microcircuità inibitoria all’interno del presubicolo che può mantenere il segnale della direzione della testa (Simonnet et al., 2017; Simonnet e Fricker, 2018). Inoltre, le lesioni ATN nei ratti determinano anche cambiamenti microstrutturali nell’ippocampo e nel RSC (Harland et al., 2014). Insieme a gravi menomazioni della memoria spaziale, Harland et al. (2014) hanno osservato sostanziali riduzioni delle densità delle spine dendritiche, che sono associate alla plasticità sinaptica nell’ippocampo CA1 e nella corteccia b granulare RSC. Infine, la stimolazione ad alta frequenza (~130 Hz) di ATN roditore aumentato neurogenesi nel giro dentato e aiutato le prestazioni su compiti di memoria (Toda et al., 2008; Encinas et al., 2011; Hamani et al, 2011).

Similmente, la stimolazione dell’ATN nei grandi mammiferi ha modulato il potenziale di campo ippocampale in modo dipendente dalla frequenza e ha aumentato la risposta BOLD nell’ippocampo e nel PFC (Stypulkowski et al., 2014; Gibson et al, 2016); e infine nell’uomo, le registrazioni da più elettrodi di profondità in pazienti con epilessia hanno mostrato che la stimolazione ad alta frequenza (~130 Hz) dell’ATN era in grado di disaccoppiare le reti neurali su larga scala che includevano l’ippocampo, la corteccia insulare, la corteccia paraippocampale e la PFC dorsolaterale (Yu et al, 2018).

Direzioni future

La nostra comprensione delle interazioni cortico-talamo-corticali e il loro scopo sono ancora limitati, soprattutto per quanto riguarda i relè di ordine superiore. Tuttavia, sulla base dei risultati attuali, sembra esserci qualche prova che AM (Figura 2) potrebbe agire come un relè di ordine superiore alla corteccia nei primati, mentre l’AD è un relè di primo ordine. Tuttavia, come AV e subnuclei del LD influenzare la corteccia rimangono ancora da esplorare completamente. Anche le influenze dall’esterno del circuito limbico devono essere studiate. Per esempio, è probabile che gli input dallo striato dorsale e dalla corteccia precentrale mediale modulino il theta all’interno di ATN, LD, formazione ippocampale e MEC per la formazione delle cellule della griglia (Mehlman et al., 2019a,b). Anche la chiave per la nostra comprensione è se la relazione di eventuali proiezioni cortico-talamo-corticali che coinvolgono ATN e LD sono conservati attraverso le specie. Così, finora le interazioni cortico-talamo-corticali si sono concentrate pesantemente su modelli di roditori (Sherman, 2016; Schmitt et al., 2017). Topi e ratti forniscono un ottimo punto di partenza per la prova di principio, ma mancano dello sviluppo corticale e talamico presente nelle specie di ordine superiore, come i primati non umani e gli esseri umani (Halassa, 2018). Quindi, è probabile che ci siano differenze negli aspetti fondamentali dei circuiti talamocorticali tra le specie ancora in attesa di essere scoperti.

Quello che resta ancora da capire nelle neuroscienze, e con specifica rilevanza per questo articolo di revisione, è come ATN e LD gestiscono i vari flussi di informazioni afferenti che ricevono; chiaramente le proiezioni dello strato VI dal RSC sono importanti (Mitchell et al, 2018). Inoltre, è fondamentale caratterizzare la natura dei segnali efferenti che passano alla corteccia. Gli esperimenti animali e umani che registrano l’attività neurale dai subnuclei ATN e LD e i loro obiettivi corticali durante compiti comportamentali rilevanti saranno di grande interesse. Alterare il funzionamento talamico, striato o corticale, utilizzando agenti farmacologici o optogenetica, e mirando a specifici strati cellulari o tipi di cellule utilizzando approcci transgenici o vettoriali sarà anche essenziale per sezionare l’apprendimento specifico e la memoria, e le funzioni di navigazione di questi circuiti talamocorticali.

Infine, le tecniche di imaging sono ancora limitate da una mancanza di risoluzione e continuano a lottare per definire i singoli nuclei talamici (Aggleton et al., 2016). Tuttavia, utilizzando uno scanner di imaging magnetico 7T e tecniche avanzate di elaborazione delle immagini, alcune delle componenti microstrutturali del MD potrebbero essere elucidate negli esseri umani (Pergola et al., 2018). Di conseguenza, strategie simili possono essere applicate agli studi di neuroscienze cognitive e comportamentali che indagano ATN e LD, con l’avvertenza che, almeno per l’ATN, si tratta di una struttura talamica molto più piccola. C’è stato anche un crescente lavoro che esamina le interazioni ATN-corticali durante gli interventi di impianto di elettrodi per l’epilessia refrattaria nell’uomo. Speriamo che queste opportunità saranno utilizzate di più in futuro, specialmente in combinazione con compiti cognitivi e comportamentali dettagliati e analisi avanzate di neuroimaging di questi pazienti.

Raccomandazioni conclusive

Le prove dagli animali e dagli esseri umani supportano l’importanza delle interazioni corticali e sottocorticali durante i processi cognitivi, incluso l’apprendimento e la memoria e la navigazione. Le moderne tecniche di neuroscienze devono ora essere utilizzate per esplorare come e perché queste interazioni sono così critiche quando stiamo imparando nuove informazioni o ottimizzando i nostri comportamenti. Per far progredire le nostre conoscenze, dobbiamo caratterizzare i meccanismi sottostanti che sostengono queste interazioni tra strutture neurali importanti per la formazione di nuovi ricordi, sia nel cervello normale, per il quale i modelli animali rimangono essenziali, sia nei pazienti con malattie neurodegenerative e disturbi neuropsichiatrici.

Contributi degli autori

BP e AM hanno entrambi contribuito alla stesura di questo manoscritto.

Finanziamento

Gli autori sono supportati da una Wellcome Trust Senior Fellowship per AM (110157/Z/15/Z). Questo articolo è pubblicato con fondi ad accesso aperto dal COAF Block Grant all’Università di Oxford.

Conflict of Interest Statement

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.