Mappatura del Controllo Motorio nei Moscerini: Scoperte sulla Coordinazione del Movimento

I comportamenti motori, dai riflessi semplici ai movimenti complessi, derivano dall'attività dei neuroni motorii (MN). Questi neuroni inviano segnali dal cervello e dal midollo spinale ai muscoli del corpo. Un singolo neurone motorio e le fibre muscolari che controlla creano quella che si chiama un'unità motoria. Diversi schemi di utilizzo di queste unità motorie permettono agli animali di compiere una vasta gamma di azioni. I ricercatori hanno studiato come queste unità motorie lavorano insieme esaminando come si muovono gli arti e come i segnali elettrici viaggiano attraverso i nervi. Tuttavia, i modi in cui queste unità motorie sono assemblate dipendono dalla struttura e dalle connessioni dei neuroni nel cervello e nel midollo spinale. Comprendere queste connessioni può offrire un’idea su come il sistema nervoso coordina i movimenti.

I recenti progressi nella tecnologia hanno reso possibile creare mappe dettagliate dei neuroni e delle loro connessioni utilizzando un metodo chiamato Connettomica. Questo ha portato alla creazione di connettomi, che sono mappe complete delle connessioni neurali in alcuni organismi, come il piccolo vermetto e la mosca della frutta larvale. Queste mappe ci aiutano a capire meglio come il sistema nervoso controlla i movimenti, come ad esempio come i vermi si muovono in modo ondulatorio. Gli scienziati hanno anche raccolto dati sul cervello della mosca della frutta e sul suo midollo spinale, che funzionano in modo simile ai midolli spinali dei vertebrati. Analizzando questi dataset, i ricercatori possono confrontare come vengono controllati i diversi arti.

Le mosche usano le loro zampe per varie attività, tra cui camminare, pulirsi e combattere. La posizione della punta di ogni zampa è determinata dal movimento di cinque giunti, con il primo giunto che offre il maggiore range di movimento. Ogni zampa ha più di due muscoli che agiscono sulla maggior parte dei giunti. La zampa anteriore, ad esempio, contiene 18 muscoli controllati da 69 neuroni motorii. Questi neuroni motorii sono ulteriormente divisi in gruppi che lavorano insieme per controllare i movimenti muscolari.

In molte specie, i neuroni motorii in un gruppo tendono a sparare in un ordine specifico per controllare le contrazioni muscolari in modo fluido. Questo ordine di sparo si basa su un principio noto come principio della grandezza, che suggerisce che i neuroni motorii più piccoli che controllano le fibre muscolari più lente si attivano per primi, seguiti da neuroni motorii più grandi che controllano fibre più veloci. Il cablaggio esatto dei neuroni nel cervello che crea questo ordine non è ancora stato spiegato del tutto da quando è stato scoperto.

Il modo in cui le mosche controllano le ali è diverso da come controllano le zampe. I neuroni motorii delle ali non sembrano seguire gli stessi schemi di reclutamento. Invece, si affidano a più gruppi muscolari con proprietà uniche per il battito. Questi muscoli sono divisi tra quelli che creano la potenza principale per il volo e quelli che regolano la rigidità e controllano il percorso dell'ala. Ogni muscolo che contribuisce al movimento dell'ala è controllato da neuroni motorii individuali, che lavorano indipendentemente piuttosto che come parte di un gruppo motorio più grande.

Sebbene studi passati abbiano fornito informazioni su come funzionano i muscoli delle ali, si è capito meno su come i circuiti neurali nel cervello coordinano questi movimenti. Utilizzando la connettomica, gli scienziati possono ricostruire come gli input sinaptici dal cervello si connettono ai neuroni motorii per le zampe e le ali. Questo consente di confrontare come sono organizzati i circuiti neurali per gestire le uniche biomeccaniche di ciascun arto.

I ricercatori hanno ricostruito le connessioni di tutti i neuroni che inviano segnali ai neuroni motorii della zampa anteriore sinistra e della ala sinistra. Hanno focalizzato l'analisi sulla zampa anteriore, che è progettata per sentire e ha una maggiore capacità di movimento rispetto agli altri arti. L'analisi ha rivelato che i neuroni motorii nella zampa ricevono numerose Sinapsi da vari neuroni premotori. In media, ogni neurone motorio ha circa 3.641 sinapsi in ingresso provenienti da 188 neuroni premotori.

La maggior parte degli input sinaptici sia ai neuroni motorii delle zampe che delle ali proviene da Interneuroni locali all'interno del midollo spinale. Mentre ricerche precedenti hanno evidenziato il ruolo dei neuroni discendenti dal cervello, risulta che questi neuroni discendenti contribuiscono a una percentuale minore di sinapsi. Questo suggerisce che la maggior parte dei segnali dal cervello venga elaborata attraverso circuiti locali prima di raggiungere i neuroni motorii.

Sono stati osservati alcuni schemi unici nelle connessioni in ingresso. Ad esempio, alcuni neuroni motorii delle ali mostravano un'alta frequenza di sparo durante il volo, indicando la loro dipendenza dal feedback sensoriale per il timing.

Lo studio ha esplorato anche come i neuroni motorii all'interno di un gruppo lavorino insieme. Ad esempio, molte unità motorie nelle zampe lavorano con muscoli che creano coppia intorno a un giunto. I risultati hanno indicato che le unità motorie con funzioni simili tendono a ricevere tipi simili di input, formando moduli di neuroni motorii che agiscono insieme. Questo raggruppamento rivela come il sistema nervoso semplifichi il controllo dei movimenti mantenendo collegate le unità motorie correlate.

Guardando ai moduli per le ali, i ricercatori hanno notato che gli schemi di input erano molto più complessi. Diversi muscoli di sterzata ricevevano connessioni in ingresso variabili. Questa flessibilità potrebbe consentire un controllo più preciso dei movimenti dell'ala.

I risultati suggeriscono che mentre i moduli delle zampe favoriscono una struttura gerarchica in cui i neuroni più piccoli vengono attivati per primi, i moduli delle ali sono strutturati per consentire una diversità di movimenti, permettendo alla mosca di effettuare manovre complesse. Le differenze nel modo in cui i neuroni locali si connettono a questi moduli motori riflettono le esigenze uniche della biomeccanica di ciascun arto.

Capire come vari tipi di neuroni si connettano e come elaborano i segnali apre ulteriori domande sul controllo motorio. Suggerisce che anche se i numeri e le dimensioni dei neuroni motorii variano, i loro schemi di connessione sono organizzati per adattarsi alle loro funzioni specifiche, che si tratti di una semplice camminata o di un volo complesso.

In generale, il lavoro fornisce preziose intuizioni sulle connessioni neurali alla base del movimento nelle mosche. Confrontando zampe e ali, i ricercatori possono apprendere le diverse strategie utilizzate dal sistema nervoso per controllare vari tipi di movimento. Con questa conoscenza, possono essere condotte ulteriori ricerche per scoprire di più su come questi circuiti si sviluppano e si adattano alle esigenze dell'animale.