Registrare le onde celebrali in fondo al mare

“Se vogliamo capire come funziona il cervello, i polpi sono l’animale perfetto da studiare per fare un confronto con i mammiferi. Hanno un cervello di grandi dimensioni, un corpo incredibilmente unico e capacità cognitive avanzate che si sono sviluppate in modo completamente diverso da quelle dei vertebrati”, ha dichiarato la dottoressa Tamar Gutnick, prima autrice ‘l’Unità di Fisica e Biologia dell’Okinawa Institute of Science and Technology (OIST). Ma la misurazione delle onde cerebrali dei polpi è sempre stata considerata una vera e propria impresa, una sfida tecnica. A differenza dei vertebrati, i polpi hanno un corpo molle, quindi non hanno un cranio a cui ancorare l’apparecchiatura di registrazione, per evitare che venga rimossa. Ma l’ingegno ha portato alla soluzione. Gli scienziati, infatti, hanno registrato con successo l’attività cerebrale dei polpi nel loro habitat, mentre si muovono liberamente, un’impresa resa possibile dall’impianto di elettrodi e di un registratore di dati.

Lo studio, pubblicato online su Current Biology, è un passo avanti fondamentale per capire come il cervello dei polpi controlla il loro comportamento e potrebbe fornire indizi sui principi comuni necessari per l’intelligenza e la cognizione di più specie, comprese la nostra. Come oggetto di studio, i ricercatori hanno scelto Octopus cyanea, in italiano più comunemente noto come polpo indopacifico. Questo polpo viene spesso usato come animale modello di studio per via delle sue grandi dimensioni e le sue peculiarità: sono animali più antichi dei dinosauri, i primi fossili ritrovati sono risalenti 296 milioni di anni fa, gli individui adulti possono arrivare a pesare i 6.6 Kg, hanno tre cuori, i tentacoli possono superare gli 80 cm di lunghezza, e contengono la maggior parte dei neuroni del loro sistema nervoso (500 milioni in tutto) che vengono, quindi, usati per annusare, assaporare, e anche pensare (in pratica ha 8 cervelli). Inoltre, sono capaci, per mezzo dei cromatofori, di cambiare continuamente la consistenza, la forma e il colore della “pelle”: così facendo riescono a mimetizzarsi perfettamente tra la sabbia e i coralli, nascondendosi all’occhio dei predatori. Tutto questo ha sempre incuriosito gli scienziati, anche perché questi molluschi hanno l’intelligenza dei vertebrati pur non essendolo, anzi, sono lontanissimi da noi dal punto di vista delle ramificazioni evolutive, infatti, la loro intelligenza e i loro comportamenti, emergono in un modo completamente diversificato ed indipendente rispetto qualsiasi animale.

Quindi, come ha fatto il polpo ad evolvere così tanto in oceani abitati principalmente da creature invertebrate? Quanto sono intelligenti? Quanto studiare la loro biologia e comportamento può dirci qualcosa in più del nostro cervello?

L’attrezzatura dei cacciatori d’onde celebrali

“I polpi hanno otto braccia potenti e ultra-flessibili, che possono raggiungere qualsiasi punto del corpo”, ha detto Gutnick. “Se gli avessimo attaccato dei fili, li avrebbero strappati immediatamente, quindi avevamo bisogno di un modo per mettere l’apparecchiatura completamente fuori dalla loro portata, posizionandola sotto la loro pelle“. Pe quanto riguarda la registrazione dei dati prodotta dagli impianti sottopelle, i ricercatori hanno scelto come soluzione dei registratori di dati piccoli e leggeri (dei logger), originariamente progettati per tracciare l’attività cerebrale degli uccelli durante il volo. Il team ha adattato i dispositivi per renderli impermeabili, ma abbastanza piccoli da poter essere facilmente inseriti nei polpi. Le batterie, che dovevano funzionare in un ambiente con poca aria, hanno permesso di registrare fino a 12 ore di continuo. I ricercatori hanno anestetizzato tre polpi e impiantato un logger in una cavità della parete muscolare del mantello. Il data logger è essenzialmente un registratore di dati, un dispositivo elettronico digitale, di solito di piccole dimensioni, che registra dei dati campionandoli ad intervalli regolari attraverso un sensore interno oppure collegato ad uno esterno, alimentato da una batteria interna ed equipaggiato con un microprocessore ed una memoria per l’acquisizione dei dati.  Gli scienziati hanno anche impiantato gli elettrodi in due aree del cervello del polpo, il lobo verticale e il lobo frontale mediano superiore. Questa regione cerebrale è ritenuta importante per l’apprendimento visivo e la memoria, processi cerebrali che i ricercatori di questo studio erano particolarmente interessati a comprendere.

Risultati

Una volta completato l’intervento, i polpi sono stati riportati nella loro vasca di origine e monitorati tramite video. Dopo cinque minuti, i polpi si sono ripresi e hanno trascorso le 12 ore successive dormendo, mangiando e muovendosi nella vasca, mentre veniva registrata la loro attività cerebrale. Il logger e gli elettrodi sono stati poi rimossi dai polpi e i dati sono stati sincronizzati con il video. I ricercatori hanno identificato diversi schemi distinti di attività cerebrale, alcuni dei quali erano simili per dimensioni e forma a quelli osservati nei mammiferi, mentre altri erano oscillazioni lente e di lunga durata, mai descritte prima. I ricercatori non sono stati ancora in grado di collegare questi modelli di attività cerebrale a comportamenti specifici desunti dai video. Tuttavia, questo non è del tutto sorprendente, ha spiegato Gutnick, poiché non è stato richiesto agli animali di svolgere compiti specifici di apprendimento. “Si tratta di un’area associata all’apprendimento e alla memoria, quindi per esplorare questo circuito abbiamo bisogno di svolgere compiti ripetitivi e di memoria con i polpi. È qualcosa che speriamo di fare molto presto!”. I ricercatori ritengono inoltre che questo metodo di registrazione dell’attività cerebrale dei polpi, mentre si muovono liberamente, possa essere utilizzato in altre specie di polpi e possa aiutare a risolvere questioni relative a molte altre aree della cognizione, tra cui l’apprendimento, la socializzazione e il controllo del movimento del corpo e delle braccia. “Questo studio è davvero fondamentale, ma è solo il primo passo”, ha dichiarato il Prof. Michael Kuba, che ha guidato il progetto presso l’Unità di Fisica e Biologia dell’OIST e che ora continua all’Università di Napoli Federico II. “I polpi sono così intelligenti, ma al momento sappiamo così poco di come funziona il loro cervello. Questa tecnica ci permette di sbirciare nel loro cervello mentre svolgono compiti specifici. È davvero emozionante e potente”.

Lo studio ha coinvolto una collaborazione internazionale tra ricercatori di Giappone, Italia, Germania, Ucraina e Svizzera.

• Recording Electrical Activity from the Brain of Behaving Octopus (papers.ssrn.com)