I neuroscienziati decifrano il mistero dei movimenti rapidi degli occhi

Fonte: Leonardo da Vinci / Public Domain

Nel 1504, Leonardo da Vinci fece dei getti di cera del cervello e coniarse il termine "cervelletto" che in latino significa "piccolo cervello". Uno studio rivoluzionario pubblicato oggi riporta che le cellule di Purkinje nel cervelletto sono responsabili del controllo dell'esecuzione accurata del rapido occhio movimenti. Per coincidenza, da Vinci dipinse anche la Gioconda , che è famosa in tutto il mondo per aver avuto gli occhi vaganti che seguono gli spettatori attorno al Louvre.

Mio padre, Richard M. Bergland, era neurochirurgo, neuroscienziato, tennista di livello nazionale e autore di The Fabric of Mind (Viking). Mio padre era ossessionato dalle cellule di Purkinje e dal cervelletto. Ha passato questa ossessione a me.

Nel 2007, mio ​​padre è morto inaspettatamente per un attacco di cuore, lasciando la sua ricerca per trovare un tipo di "Santo Graal" nelle neuroscienze incompleto. Ho fatto voto al suo funerale che avrei raccolto la torcia e cercato di trovare le risposte alle sue ipotesi sulle cellule di Purkinje e sul cervelletto. Ogni mattina, mi sveglio sperando che ci saranno nuove ricerche che aiutano a decifrare i misteri del cervelletto. Inutile dire che ero entusiasta di leggere il nuovo studio sui movimenti oculari e le cellule di Purkinje rilasciati questa mattina.

Cellule di Purkinje nei movimenti di occhio rapido di controllo del cervelletto

Illustrazione di cella di Purkinje di Ramón y Cajal.

Fonte: Ramón y Cajal / Dominio Pubblico

Lo studio dell'ottobre 2015, "Encoding of Action by the Purkinje Cells of the Cerebellum", è stato pubblicato sulla rivista Nature . I ricercatori hanno scoperto che l'attività neuronale combinata di due tipi apparentemente opposti di cellule di Purkinje nel cervello del cervello sembrano controllare movimenti rapidi degli occhi noti come saccadi.

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In una sintesi dei risultati, gli editori descrivono questo studio dicendo: "Le cellule di Purkinje sono neuroni inibitori nel cervelletto con un ruolo centrale nel coordinare la funzione motoria del corpo. Si è pensato a lungo che codificassero le saccadi del movimento degli occhi, ma non si sapeva come ciò sia stato realizzato.

Registrazione dalle cellule di Purkinje nelle scimmie, David Herzfeld et al. trova che le risposte combinate a spike semplici delle cellule di Purkinje che scoppiano e fanno una pausa, ma non la sola popolazione, hanno predetto la velocità in tempo reale della saccade. Inoltre, quando le cellule di Purkinje sono state organizzate in base al loro campo a picco complesso, le risposte di popolazione codificano sia la velocità che la direzione attraverso un campo di guadagno. "

Le cellule di Purkinje prendono il nome da Johannes Purkinje, che per primo identificò questi neuroni nel 1837. Il dott. Purkinje fu anche la prima persona a identificare l'individualità dell'impronta digitale umana. Tra le altre mansioni, le cellule del Purkinje sono responsabili della comunicazione delle informazioni motorie sensoriali dal cervelletto alla corteccia cerebrale.

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Il cervelletto è una centrale elettrica primaria

Il cervelletto (rosso) è solo il 10% del volume del cervello ma ospita oltre il 50% dei neuroni totali del cervello.

Fonte: database Wikimedia / Life Sciences

Il cervelletto è una delle nostre più antiche regioni cerebrali. Da una prospettiva evolutiva, la capacità di affinare un bersaglio e focalizzare lo sguardo come cacciatori era necessaria per uccidere la preda. Il cervelletto è una regione del cervello primitiva e intuitiva su cui ci siamo basati per colpire prede in movimento con arco e freccia o una lancia.

Nel corso di millenni, entrambi gli emisferi del cervelletto si sono evoluti per funzionare senza problemi con entrambi gli emisferi del cervello per creare il picco delle prestazioni umane. Da un punto di vista atletico, il cervelletto consente di correre simultaneamente bloccando gli occhi su un bersaglio in movimento. Il cervelletto è l'area cerebrale primaria associata alla coordinazione occhio-mano usata quando si cattura una palla da baseball, si colpisce una pallina da tennis, si spara un disco da hockey, ecc.

Diagramma del riflesso vestibolo-oculare (VOR)

Fonte: Wikimedia / Creative Commons

Quando si sposta la direzione dello sguardo, i movimenti della testa e degli occhi sono automaticamente coordinati tra loro tramite il riflesso vestibolo-oculare (VOR) che fa parte del sistema vestibolare collegato al cervelletto. Il VOR è un movimento oculare riflesso che stabilizza le immagini sulla retina durante i movimenti della testa producendo automaticamente un movimento oculare nella direzione opposta del movimento della testa.

Mio padre diceva spesso: "Di questo sono assolutamente certo, diventare un neurochirurgo è stata una diretta conseguenza del mio occhio per la palla". Quando mio padre parlava di avere un "occhio per la palla" si riferiva al suo sistema VOR.

Il riflesso vestibolo-oculare ha bisogno di lavorare molto velocemente per mantenere una visione chiara e focalizzata. I movimenti della testa devono essere compensati quasi immediatamente, altrimenti la tua visione sembrerebbe un video fatto con una mano tremante o in movimento. Ipoteticamente, le anomalie del VOR renderebbero il mondo un posto molto disorientante, come potrebbe essere il caso nelle persone con disturbo dello spettro autistico.

Come questo studio più recente illustra, l'esecuzione di accurati movimenti oculari dipende in modo critico dal cervelletto. L'attività neuronale combinata di due tipi apparentemente opposti di cellule di Purkinje nel cervelletto cerebrale è stata recentemente trovata per controllare i movimenti a scatti noti come saccadi nelle scimmie da David Herzfeld et al.

Cos'è un "Saccade"?

Fonte: Africa Studios / Shutterstock

Una saccade è un rapido movimento simultaneo di entrambi gli occhi tra due fasi di fissazione nella stessa direzione. Poiché le informazioni visive vengono ricevute dalla retina, vengono tradotte in informazioni spaziali e quindi trasferite ai centri motori per ottenere risposte motorie appropriate.

Facciamo affidamento sulla precisione dei movimenti oculari saccadici ogni millisecondo della nostra vita. Durante le normali condizioni quotidiane, si effettuano circa 3-5 saccadi al secondo che equivalgono a circa mezzo milione di saccadi al giorno.

Qualcuno con dismetria saccadica produce movimenti oculari incontrollabili tra cui microsaccade, flutter oculare e scatti di onde quadre anche quando l'occhio è a riposo. Si pensa che la causa della dismetria sia lesioni nel cervelletto o lesioni nei nervi propriocettivi che portano al cervelletto. Il tuo cervelletto è responsabile della coordinazione di informazioni visive, spaziali e altre informazioni sensoriali con controllo motorio.

Qual è il legame tra cellule di Purkinje, movimenti oculari e autismo?

Fonte: Petr Novak / Wikimedia Commons

Recentemente, c'è stata un'ondata di ricerca che collega le cellule di Purkinje, il cervelletto e i disturbi dello spettro autistico (ASD). Le recenti scoperte di Herzfeld e altri aggiungono a un crescente numero di prove che potenzialmente correla le anormalità delle cellule di Purkinje con l'autismo. Sebbene il recente studio di Herzfeld non si riferisca specificamente all'autismo, le ultime scoperte sul ruolo delle cellule di Purkinje nel controllo dei movimenti oculari supportano ricerche precedenti che collegano i movimenti oculari, il cervelletto e l'autismo.

Nei disturbi dello spettro autistico, il cervello mostra costantemente difetti nelle cellule di Purkinje, che hanno un singolo assone che proietta dal cervelletto e crea connettività dal cervelletto alla maggior parte delle altre regioni del cervello. Ricerche precedenti hanno trovato la disfunzione cerebellare in soggetti con ASD attraverso studi post mortem su campioni di cervello che mostravano perdita del volume cellulare di Purkinje. Negli ultimi anni, una varietà di studi ha confermato questo fenomeno nella maggior parte dei cervelli autistici.

Uno studio del 2013, pubblicato sulla rivista Nature , ha scoperto che il contatto visivo durante la prima infanzia può essere la prima indicazione di ASD. I bambini in genere iniziano a concentrarsi sui volti umani nelle prime ore di vita. I bambini con autismo, tuttavia, non mostrano interesse nel contatto visivo che rende difficile leggere i volti. Imparare a raccogliere inconsapevolmente i segnali sociali prestando attenzione agli occhi di un'altra persona è la chiave per la connettività sociale.

Un altro studio di agosto 2013 ha rilevato che l'orientamento visivo atipico nei bambini di 7 mesi potrebbe essere un segnale di rischio per l'autismo. Lo studio intitolato "White Matter Microstructure e Atypical Visual Orienting in 7-Month-Olds at Risk for Autism" è stato pubblicato su American Journal of Psychiatry . La materia bianca nel corpo calloso collega gli emisferi sinistro e destro del tuo cervello.

Nel 2014, i ricercatori hanno riferito che il bianco dei nostri occhi comunica importanti segnali sociali che sono la chiave per il nostro legame e la sopravvivenza sia a livello conscio che inconscio. Lo studio, "Discriminazione incosciente degli indizi sociali dai bianchi dell'occhio nei neonati", è stato pubblicato negli atti del giornale online dell'Accademia nazionale delle scienze . I ricercatori dell'Università della Virginia e Max Planck Institute hanno scoperto che la capacità di rispondere ai segnali oculari inizia tipicamente a svilupparsi durante l'infanzia intorno all'età di sette mesi.

In un altro studio di marzo 2013, un gruppo di ricerca ha perfezionato il gene Tsc2 nelle cellule di Purkinje del cervelletto e ha scoperto che una perdita di Tsc2 nelle cellule di Purkinje porta a deficit comportamentali di tipo autistico. I ricercatori forniscono prove convincenti che la perdita di cellule di Purkinje nel cervelletto e / o la disfunzione può essere un importante collegamento tra ASD e un "fenomeno anatomico generale che contribuisce al fenotipo ASD", secondo i ricercatori.

Nell'agosto del 2014, Samuel Wang ei suoi colleghi della Princeton University hanno riferito che le prime anomalie del cervelletto ostacolano lo sviluppo neurale e potrebbero essere una possibile radice dell'autismo. Nell'agosto 2014, hanno pubblicato la loro teoria, "Il cervelletto, i periodi sensibili e l'autismo", nella rivista Neuron .

Sam Wang, professore associato di biologia molecolare all'Università di Princeton, sta svolgendo un'affascinante ricerca sull'elaborazione delle informazioni nel cervelletto, inclusi i suoi contributi all'apprendimento motorio, il ruolo del cervelletto nella funzione cognitiva e affettiva e il disturbo dello spettro autistico.

Conclusione: il cervelletto può prendere il centro della scena nel 21 ° secolo

Mio padre diceva spesso: "Non sappiamo esattamente cosa stia facendo il cervelletto. Ma qualunque cosa faccia, ne sta facendo un sacco. "Mio padre sarebbe entusiasta di vedere le nuove prove che aiutano a spiegare tutto ciò che il potente e misterioso cervelletto sta effettivamente facendo.

Le cellule di Purkinje e il cervelletto rimangono enigmatici. Detto questo, i neuroscienziati stanno facendo progressi costanti usando la tecnologia del 21 ° secolo per aiutarci a capire meglio il "piccolo cervello" che Leonardo da Vinci ha identificato per la prima volta oltre cinquecento anni fa. Abbiamo ancora una lunga strada da percorrere prima di decifrare completamente questi misteri, quindi sono necessarie ulteriori ricerche.

Resta sintonizzato su The Athete's Way per aggiornamenti sugli ultimi risultati della ricerca sulle cellule del cervelletto e del Purkinje. Se vuoi leggere di più su questo argomento, controlla i miei post precedenti di Psychology Today :

• "Le cellule di Purkinje scoppiano in vita con eccitazioni dipendenti dallo stato"
• "Il bianco dei tuoi occhi trasmette verità subconscie"
• "La neuroscienza del contatto visivo"
• "I 12 movimenti degli occhi danno via i tuoi segreti"
• "Come si pratica la memoria muscolare a lungo termine?"
• "Il coordinamento occhio-mano migliora le abilità cognitive e sociali"
• "Pronto, set, vai! Come si prepara il cervello per i movimenti? "
• "Come può il daydreaming migliorare i risultati orientati all'obiettivo?"
• "L'autismo, le cellule di Purkinje e il cervelletto sono intrecciati"
• "Come sono le cellule di Purkinje nel cervelletto legate all'autismo?"
• "Sincronizzazione del cervello idiosincratica associata all'autismo"
• "Perché ballare così bene per il tuo cervello?"
• "Aggiungere movimento a una prova mentale migliora le prestazioni"

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