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Come il cervello cerca il piacere ed evita il dolore
La neuroscienziata Kay Tye affronta le basi fisiche delle emozioni e del comportamento. 27 giugno 2017
Giosuè Matteo
Da bambina, Kay Tye era immersa in una vita di scienza. Sono cresciuta nel laboratorio di mia madre, dice. All'età di cinque o sei anni, guadagnava 25 centesimi a scatola per riporre i puntali delle pipette ordinati all'ingrosso in scatole per la sterilizzazione mentre sua madre, un'acclamata biochimica della Cornell University, sondava la genetica del lievito. (Il padre di Tye è un fisico teorico noto per il suo lavoro sull'inflazione cosmica e la teoria delle superstringhe.)
Oggi, Tye gestisce il suo laboratorio di neuroscienze al MIT. Sotto grandi luci nere che ricordano un servizio fotografico di moda, lei e il suo team del Picower Institute for Learning and Memory possono osservare come si comportano i topi quando vengono attivati o disattivati determinati circuiti cerebrali. Nelle vicinanze, possono registrare l'attività neurale dei topi mentre gli animali si muovono verso uno stimolo particolare, come l'acqua zuccherata, o si allontanano, se stanno attraversando un pavimento che fornisce lievi scosse elettriche. Altrove, creano fette di cervello da testare in vitro, poiché questi campioni mantengono la loro attività fisiologica, anche al di fuori del corpo, per un massimo di otto ore.
Tye è stato in prima linea negli sforzi per individuare le fonti di ansia e altre emozioni nel cervello analizzando come gruppi di neuroni lavorano insieme nei circuiti per elaborare le informazioni. In particolare, il suo lavoro ha contribuito a un profondo cambiamento nella comprensione da parte dei ricercatori dell'amigdala, un'area cerebrale che è stata considerata centrale per le risposte alla paura: ha scoperto che la segnalazione nell'amigdala può infatti ridurre l'ansia e aumentare esso. Per ottenere tali informazioni, ha anche compiuto progressi cruciali in una tecnica, chiamata optogenetica, che consente ai ricercatori di attivare o sopprimere particolari circuiti neurali negli animali da laboratorio usando la luce. L'optogenetica è stata sviluppata dal neuroscienziato e psichiatra di Stanford Karl Deisseroth e ha rappresentato una svolta negli sforzi per determinare il ruolo di parti specifiche del cervello. Mentre Tye lavorava nel suo laboratorio come post-dottorato, ha dimostrato, per la prima volta, che era possibile individuare e controllare specifici gruppi di neuroni che inviavano segnali a specifici neuroni bersaglio.
Questo approccio a grana fine è importante perché i farmaci che trattano condizioni come l'ansia attualmente non prendono di mira circuiti specifici, per non parlare dei singoli neuroni; piuttosto, operano in tutto il cervello, il che spesso porta a effetti collaterali indesiderati. La ricerca di Tye potrebbe eventualmente aiutare ad aprire la porta a farmaci che influenzano solo specifici circuiti neurali, riducendo l'ansia con meno effetti collaterali.
Tale lavoro ha ottenuto riconoscimenti formali, tra cui un Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers dal presidente Obama, un Freedman Prize per le neuroscienze e un premio TR35, che riconosce ricercatori eccezionali di età inferiore ai 35 anni. Tye ha anche ricevuto elogi da altri in nel suo campo che ammirano l'ampiezza creativa della sua ambizione. Non ha paura di porre le domande più fondamentali, quelle che la maggior parte degli altri scienziati evitano, afferma Sheena Josselyn dell'Università di Toronto e dell'Hospital for Sick Children Research Institute.
Le domande che affronta coinvolgono emozioni e fenomeni che incombono molto nell'esperienza umana, come la ricerca di ricompense, la solitudine e l'eccesso di cibo compulsivo. Il suo obiettivo è capire le loro basi neurali: colmare il divario tra il cervello, come inteso dai neuroscienziati, e la mente, come concepita in modo più ampio da psichiatri, psicologi e altri studenti del comportamento umano.
Aspirante romanziere
Anche se potrebbe sembrare che Tye sia nata per essere una scienziata, dice che la sua scelta di carriera è stata tutt'altro che inevitabile. Al liceo, era ambivalente riguardo alla scienza e gravitava invece verso la scrittura; ha scritto opere teatrali, racconti e poesie. Nella mia mente, stavo per diventare una scrittrice, ricorda.
Tuttavia, mentre faceva domanda per il college, ha incluso il MIT nella sua lista, in parte per assecondare i suoi genitori, Bik-Kwoon Tye e Henry Tye, che avevano entrambi conseguito un dottorato di ricerca lì nel 1974. E quando ha ricevuto una lettera di accettazione, suo padre l'ha trovata difficile mascherare i suoi sentimenti mentre i suoi occhi si riempivano di lacrime. Non avevo mai visto mio padre piangere in vita mia, dice. Decise che avrebbe dovuto dare all'apprendimento scientifico un tentativo più dedicato. Si è anche convinta (con l'incoraggiamento dei genitori) che concentrarsi sul mondo naturale le avrebbe dato di più di cui scrivere lungo la strada.
Come matricola al MIT, Tye è entrata a far parte del laboratorio di Suzanne Corkin, che stava lavorando con H.M., uno dei pazienti più famosi nella storia delle neuroscienze. HM, il cui nome si è rivelato essere Henry Molaison alla sua morte nel 2008, soffriva di una profonda amnesia dopo una lobotomia per curare le convulsioni; lo studio delle sue condizioni ha permesso ai ricercatori di sondare le basi neurali della memoria. Uno dei ruoli di Tye nel gruppo è stato quello di fare in modo che H.M. un panino al burro di arachidi e gelatina per pranzo. Lo mangiava e poi, pochi istanti dopo, con ancora le briciole sulla faccia, chiedeva: Abbiamo già pranzato?
I ricercatori risolvono le scatole comportamentali in cui i topi imparano a formare associazioni positive e negative con i suoni.
Mi ha fatto apprezzare il fatto che queste funzioni di base, come la memoria, che sono così fondamentali per chi siamo, hanno substrati biologici nel cervello, dice. La neuroscienza può essere intimidatoria e piena di gergo, aggiunge. Ma l'esperienza con H.M., insieme a una stimolante lezione introduttiva di psicologia tenuta da Steven Pinker, ha fatto sembrare che valesse la pena di sgobbare per tutta la notte per comprendere i meccanismi biologici dietro i costrutti psicologici.
Tuttavia, dopo la laurea, Tye voleva assicurarsi che si guardasse intorno, pensando a chi fosse ea chi volesse essere. Così ha trascorso un anno in Australia con lo zaino in spalla, dove ha lavorato in una fattoria, ha vissuto in un ashram yoga, ha insegnato yoga, si è accampata sulla spiaggia e ha lavorato a un romanzo. Ha scoperto che scrivere era difficile e solitario. Le piaceva insegnare yoga ma non lo vedeva come un percorso professionale soddisfacente.
Sono uscita da quell'anno sorprendentemente pronta per andare alla scuola di specializzazione, dice. Ritornando nel mondo accademico, inizialmente ha lottato per trovare un laboratorio che l'avrebbe accettata e ha quasi abbandonato dopo il suo primo anno. Ma ha trovato un mentore in Patricia Janak, che è diventata la sua consulente, e ha conseguito un dottorato di ricerca in neuroscienze presso l'Università della California, a San Francisco, nel 2008.
Una sorpresa nell'amigdala
Nel 2009, Tye è entrato a far parte del laboratorio di Deisseroth a Stanford. Deisseroth aveva già sviluppato l'optogenetica, che ha fornito ai ricercatori un modo molto più preciso per identificare i contributi dei singoli neuroni all'interno di un circuito. Insieme ad altri in laboratorio, Tye ha utilizzato l'optogenetica per sondare la connessione tra due parti dell'amigdala, una regione a forma di mandorla che è cruciale per l'ansia e la paura. Per prima cosa ha identificato i neuroni in un'area (nota come l'amigdala basolaterale) che formavano connessioni con i neuroni in un'altra area dell'amigdala (nota come il nucleo centrale) inviando proiezioni di fibre nervose. Quando ha stimolato quei neuroni basolaterali dell'amigdala, è stata in grado di ridurre l'ansia nei topi. Cioè, potrebbe far sì che gli animali trascorrano più tempo in spazi aperti e meno tempo rannicchiati di lato. Questo è stato sorprendente, perché quando i ricercatori hanno stimolato l'amigdala nel suo insieme, il comportamento dei topi è diventato più ansioso.
All'inizio, tutti hanno chiesto: sei sicuro di utilizzare lo strumento nel modo giusto? Cosa sta succedendo? lei ricorda. Ma dopo una meticolosa convalida, nel 2011, Tye e il gruppo hanno pubblicato i loro risultati in Natura , dimostrando che alcuni circuiti all'interno dell'amigdala aiutano a calmare gli animali. Questo documento ha anche rappresentato una svolta nella tecnica optogenetica. Per la prima volta, i ricercatori sono stati in grado di concentrarsi e manipolare una parte specifica di un circuito cerebrale: particolari gruppi di neuroni che comunicano con neuroni bersaglio noti. La tecnica, nota come manipolazione specifica della proiezione optogenetica, è ora considerata uno degli strumenti chiave della neuroscienza.
Nel 2012, Tye è arrivata al MIT come assistente professore di scienze cognitive e del cervello al Picower, continuando il suo lavoro sull'ansia. Durante l'allestimento del suo laboratorio, ha preso di mira i neuroni all'interno dell'amigdala che sembravano avere l'effetto opposto sull'ansia del topo, facendola aumentare. Queste cellule cerebrali si trovano anche nell'amigdala basolaterale, ma inviano proiezioni a una regione vicina nota come ippocampo ventrale. Quando Tye ha stimolato questo circuito usando l'optogenetica, i topi hanno evitato gli spazi aperti, apparentemente affetti da ansia. (Quando ha inibito la formazione delle connessioni, gli animali sono usciti di nuovo all'aperto, la loro ansia apparentemente alleviata.) Tye ha proposto che i neuroni vicini nell'amigdala possano avere effetti opposti sul comportamento degli animali, a seconda degli obiettivi a cui inviano segnali .
Gli studenti laureati in Tye Lab Chris Leppla e Caitlin Vander Weele e i dottorandi Praneeth Namburi e Stephen Allsop.
Minacce e ricompense
A quel tempo, la maggior parte dei ricercatori che studiavano l'amigdala tendeva ancora a concentrarsi principalmente sul suo ruolo nella paura. Eppure Tye sospettava che l'attività in questa parte del cervello potesse codificare uno stimolo come gratificante o minaccioso, buono o cattivo, aiutando le persone a decidere come rispondere. Ci sono molti stimoli che incontriamo nella nostra vita quotidiana che sono ambigui, afferma Conor Liston del Brain and Mind Research Institute di Weill Cornell. Un'interazione sociale, ad esempio, può essere minacciosa o gratificante, e abbiamo bisogno di circuiti cerebrali dedicati a differenziare chi è chi.
Osservando la forza relativa delle correnti che passano attraverso due recettori del glutammato noti per indicare la forza sinaptica, Tye ha scoperto che le diverse connessioni neurali nei topi erano rafforzate a seconda che un particolare stimolo fosse collegato a una ricompensa o a una minaccia. Quando i topi hanno imparato ad associare un suono con una delizia a base di zucchero, hanno trovato un input sinaptico più forte ai neuroni nell'amigdala basolaterale che inviavano informazioni al nucleus accumbens, che fa parte del circuito di ricompensa del cervello. D'altra parte, quando i topi hanno imparato ad associare il suono con lievi scosse elettriche ai loro piedi, i segnali di ingresso sono diventati più forti nei circuiti che portano dall'amigdala basolaterale all'amigdala centromediale, che è coinvolta nel dolore e nella paura. Inoltre, ha dimostrato un compromesso: quando uno di questi circuiti diventava più attivo, l'altro lo diventava meno. In altre parole, aveva scoperto come il cervello codifica le informazioni che consentono ai topi di distinguere tra stimoli gratificanti e quelli potenzialmente dannosi. I risultati sono stati pubblicati in Natura nel 2015.
In un lavoro recente, Tye ha anche sondato i circuiti coinvolti nel prendere decisioni in una frazione di secondo quando sono presenti contemporaneamente segnali minacciosi e gratificanti. Lei e il suo team si sono concentrati questa volta sulle connessioni tra l'amigdala e la corteccia prefrontale, un'area responsabile del pensiero di ordine superiore. (In particolare, hanno esaminato le interazioni tra l'amigdala basolaterale e la corteccia prefrontale mediale prelimbica.) Utilizzando l'optogenetica e altre tecniche, hanno dimostrato che questo circuito era attivo quando gli animali erano contemporaneamente esposti a un potenziale trattamento con zucchero e a una potenziale scossa elettrica e dovevano prendere una decisione su come comportarsi. I suoi risultati, apparsi ad aprile in Neuroscienze della natura , aiuta a illuminare il modo in cui gli animali capiscono cosa fare di fronte a segnali complessi e talvolta contraddittori.
La studentessa Caitlin Vander Weele esamina le immagini ingrandite di fette di cervello per verificare che un sensore di calcio stia prendendo di mira un tipo specifico di neurone.
Voglie e compulsioni
Da studentessa laureata, Tye aveva lavorato con ricercatori incentrati sulla dipendenza, ma era più interessata alle ricompense naturali, come lo zucchero, che alle sostanze di cui si abusa regolarmente. Nel 2012, il sindaco di New York City Michael Bloomberg ha annunciato un piano per limitare le porzioni di bibite vendute nei cinema, negli stadi e nei fast-food. Tye si è ritrovata a chiedersi cosa esattamente, a livello cerebrale, spinge le persone a desiderare prelibatezze zuccherate, al di là della normale spinta a soddisfare la fame.
Quindi ha approfondito i circuiti neurali. In un articolo pubblicato nel 2015 in Cellula , lei e il suo team si sono concentrati sui neuroni nell'ipotalamo laterale (LH), un'area del cervello coinvolta in pulsioni come la fame, e hanno studiato le loro proiezioni in un'altra regione, chiamata area tegmentale ventrale (VTA), nota per svolgere un ruolo sia nella motivazione e dipendenza. Usando l'optogenetica, lei e il suo team hanno dimostrato che l'attivazione di specifiche connessioni LH-VTA faceva ingozzare i topi di zucchero, mentre disattivarli riduceva l'eccesso di cibo compulsivo.
Sul suo desktop, Tye carica un video dimostrativo con un mouse con un cavo per la trasmissione della luce collegato al cervello. Il video mostra il mouse che si muove, inizialmente casualmente. Quindi, quando la luce laser viene accesa per attivare specifici neuroni nel circuito LH-VTA, l'animale diventa frenetico, correndo e leccando il pavimento. Subito dopo, porta le zampe vuote alla bocca e fa una pantomima di assaggio e rosicchiamento. Si impegna in questa complicata sequenza motoria e finge di mangiare, il che è pazzesco perché non c'è cibo, dice Tye. In altre parole, l'attivazione del circuito fa sì che l'animale si comporti in modo compulsivo. Lo spegnimento ha l'effetto opposto.
Fondamentalmente, tuttavia, mentre lo spegnimento di questo circuito impedisce comportamenti compulsivi, non influisce sul cibo normale. Cioè, è possibile definire una differenza basata sul cervello tra almeno alcune pulsioni alimentari sane e malsane. Ciò suggerisce che potrebbe essere possibile sviluppare farmaci mirati o anche una qualche forma di biofeedback che un giorno potrebbe aiutare le persone a ridurre le voglie malsane senza bloccare la fame normale.
Un'altra recente scoperta, sulla solitudine, è nata casualmente da un progetto che il postdottorato Gillian Matthews aveva iniziato come studentessa laureata all'Imperial College di Londra con Mark Ungless. Matthews ha notato che i topi che erano stati isolati per 24 ore durante gli esperimenti mostravano una segnalazione neurale più forte nel nucleo del rafe dorsale del cervello, che partecipa alla segnalazione della ricompensa, e ha cercato attivamente la compagnia di altri topi. Dopo essersi trasferita nel laboratorio di Tye al MIT, Matthews e Tye hanno sviluppato la teoria secondo cui gli animali bramavano l'interazione. In ulteriori esperimenti, hanno utilizzato l'optogenetica per disattivare la via di segnalazione nel nucleo del rafe dorsale. I topi sottoposti a questo trattamento non sembravano cercare ulteriori interazioni sociali dopo il tempo da soli.
Alla fine, Tye spera che lei e il suo team possano parlare di questioni umane fondamentali, come il motivo per cui alcune persone preferiscono trascorrere più tempo da sole mentre altre bramano un maggiore contatto sociale.
Un laboratorio senza drammi
Sebbene il laboratorio di Tye sia interessato alle origini di fenomeni come la paura e la compulsione, è noto per la sua mancanza di tensione e conflitto. Stephen Allsop, un post-dottorato che ha lavorato con lei per cinque anni (molti dei quali sono stati trascorsi come studente laureato), afferma che sottolinea la stretta collaborazione tra i membri del team e supervisiona una cultura ottimista e solidale: è incredibile quanto poco dramma abbiamo in questo laboratorio.
Insieme all'integrità scientifica, considero la cultura positiva, collaborativa e aperta del mio gruppo di ricerca e la felicità delle persone al suo interno la mia priorità assoluta, afferma Tye. L'eccellenza scientifica è al secondo posto. Le forti relazioni con professori e mentori fanno parte dell'attrazione della scienza, aggiunge.
Anzi, dice, sono secondi solo ai legami tra genitori e figli. Nel 2013, Tye e suo marito, Jim Wagner, uno sviluppatore di software, hanno avuto una figlia, Keeva, che l'ha già accompagnata a conferenze in tutto il mondo. Il loro figlio, Jet, è nato l'anno scorso. E i bambini hanno trovato un posto nel suo laboratorio, proprio come lei ha trovato una nicchia in quello di sua madre (anche se devono ancora guadagnare posti retribuiti). Come ha detto Natura quando Keeva era ancora una bambina: se mia figlia all'improvviso ha bisogno di essere presa in braccio, la porto alla riunione del mio laboratorio o incontro le persone mentre la rimbalzo. Se ha un crollo totale, a volte devo lasciare la cauzione e seguirla più tardi.
Ma mentre può essere accomodante come genitore e dirigente di laboratorio, Tye trova molto dramma nella stessa neuroscienza e continua a tornare alle sue domande centrali perché sono così allettanti. Anche se dice di leggere meno romanzi rispetto al passato, sembra ancora costretta dal tipo di misteri che uno scrittore potrebbe sondare: perché un eroe parte per un viaggio? Perché le chiacchiere nella sua testa vanno storte e portano a cupi soliloqui o ansiosi auto-sabotaggi? Come una scrittrice, mostra un'enorme ampiezza creativa. C'è qualcosa di speciale nella scienza, dice. Il tuo nuovo lavoro si basa su quello che hai fatto in precedenza. E se sei fortunato, puoi contribuire a plasmare il futuro.