> FocusUnimore > numero 58 – maggio 2025
Studying the Hippocampus: interview with Prof. Lisa Topolnik, Visiting Professor at the Department of Biomedical, Metabolic and Neuroscience Sciences
This article summarizes a seminar series in Modena focused on the hippocampus’s role in learning and memory across four themes: molecular mechanisms, neural circuits, memory engrams, and systems-level integration. Topics included long-term potentiation (LTP), hippocampal microcircuits, and visualization of memory traces using advanced imaging and molecular tools. The discussions highlighted the hippocampus’s interaction with the amygdala and neuromodulators in episodic memory. Students engaged actively, especially in labs using human tissue and cutting-edge techniques. Collaboration between the visiting professor and Unimore researchers fostered valuable exchanges in cognitive neuroscience. Key research findings were presented on synaptic plasticity, VIP interneurons in memory regulation, and real-time neural decoding tools. The hippocampus is underscored as a critical model for studying cognition, with relevance to clinical and AI research.
Nel mese di maggio 2025 il Dipartimento di Scienze Biomediche, Metaboliche e Neuroscienze di Unimore ha ospitato la Prof.ssa Lisa Topolnik dell’Università Laval di Quebec, Canada, come visiting professor per un corso di 5 lezioni (in lingua Inglese) su “Learning and Memory: a hippocampal perspective”, concentrandosi sui meccanismi cellulari e di circuito che sottendono le funzioni di apprendimento spaziale e di formazione di memorie episodiche.
La Prof.ssa Dr. Lisa Topolnik è una Neuroscienziata e tra i massimi esperti mondiali di fisiologia ippocampale. La sua ricerca si concentra sullo studio sperimentale dei meccanismi cellulari e sinaptici coinvolti nel coordinamento e nell’elaborazione delle informazioni da parte dei circuiti GABAergici ippocampali e su come questi processi contribuiscano alla formazione e al consolidamento della memoria. Ricopre una posizione di full professor in Biofotonica presso il Dipartimento di Biochimica, Microbiologia e Bioinformatica dell’Università Laval in Quebec (Canada). Si è laureata presso l’Università Nazionale di Odessa in Fisiologia Umana e Animale e ha conseguito il dottorato di ricerca in Neurobiologia presso l’Istituto di Fisiologia Bogomoletz (2000) in Ucraina. Si è poi trasferita in Canada per seguire un corso di post-dottorato, prima con il gruppo del Dott. Mircea Steriade presso l’Università Laval (Québec) e, in seguito, con il Dott. Jean-Claude Lacaille presso l’Université de Montréal. Il suo laboratorio fa parte del Centro di Neurofotonica del Centro di Ricerca Robert-Giffard dell’Università Laval, e utilizza una varietà di tecniche ottiche e fisiologiche per comprendere le basi cellulari della comunicazione sinaptica tra interneuroni inibitori, l’integrazione dendritica degli interneuroni e la plasticità.
Link al suo laboratorio: https://topolniklab.ca
Abbiamo rivolto alla Prof.ssa Topolnik alcune domande sulla sua esperienza a Unimore:
1 – Quali sono stati i temi principali dei seminari che ha tenuto a Modena?
I seminari sono stati sviluppati attorno a quattro elementi interconnessi, ognuno dei quali ha esplorato il ruolo dell’ippocampo nell’apprendimento e nella memoria attraverso una prospettiva multidisciplinare:
- Fondamenti molecolari: Abbiamo analizzato i meccanismi della plasticità sinaptica, sottolineando il potenziamento a lungo termine (LTP) e le sue fasi (generazione, stabilizzazione, consolidamento, mantenimento). Sono state evidenziate come cruciali per la codifica della memoria alcune componenti molecolari fondamentali, tra cui i recettori NMDA, i percorsi delle chinasi e la sintesi proteica.
- Dinamiche dei circuiti: La discussione si è spostata sui circuiti neurali, focalizzandosi sui microcircuiti ippocampali di neuroni piramidali e degli interneuroni GABAergici. Sono stati presentati strumenti comportamentali moderni che combinano optogenetica e imaging ad alta risoluzione per lo studio dei meccanismi di codifica della memoria.
- Engrammi della memoria: Questo tema ha messo in relazione le neuroscienze molecolari e sistemiche, affrontando il tema della mappatura dei cambiamenti sinaptici sugli engrammi – ovvero le tracce fisiche della memoria. Sono state discusse le sfide nel collegare le molecole al comportamento e le recenti tecniche nella visualizzazione degli engrammi (es. marcatori fluorescenti dell’attività neuronale), stimolando un vivace dibattito.
- Integrazione a livello sistemico: Abbiamo esplorato i sistemi di modulazione della memoria, sottolineando l’interazione dell’ippocampo con l’amigdala e la modulazione della noradrenalina nella memoria episodica. La teoria dell’indice ippocampale è stata alla base di queste discussioni.
2 – Quali sono state le reazioni degli studenti che hanno frequentato il suo corso?
Gli studenti hanno mostrato grande coinvolgimento, in particolare nell’integrazione tra biologia molecolare e neuroscienze sistemiche. Le discussioni durante gli incontri di laboratorio con i gruppi dei dottori Daniela Gandolfi, Jonathan Mapelli e Michele Giugliano sui dati relativi ai tessuti umani ottenuti con tecniche elettrofisiologiche e di imaging (es. imaging del calcio su tessuti corticali umani appena isolati) hanno suscitato interesse e acceso dibattiti sulla progettazione sperimentale. Alcuni hanno trovato i dettagli molecolari delle fasi dell’LTP inizialmente scoraggianti, ma ne hanno poi apprezzato il valore contestuale nelle discussioni sui sistemi della memoria. Il feedback ha evidenziato l’entusiasmo per la combinazione di teorie classiche (es. la plasticità hebbiana) e strumenti all’avanguardia (es. marcatura genetica degli engrammi).
3. Come è nata la collaborazione con Unimore e come si è trovata in questo periodo di “visita” all’Università di Modena e Reggio Emilia?
La collaborazione è nata da interessi condivisi nelle neuroscienze cognitive e nella plasticità sinaptica tra il mio gruppo e i gruppi dei dottori Daniela Gandolfi, Jonathan Mapelli, Francesco Ferraguti e Michele Giugliano. Questi giovani ricercatori di talento contribuiscono fortemente alla comunità neuroscientifica di Unimore, in particolare nel campo della neurofisiologia e neuroimaging dell’uomo. Come visiting professor, ho trovato inestimabile lo scambio dinamico con colleghi – dagli elettrofisiologi ai modellatori computazionali. Le infrastrutture dell’università, come le avanzate strutture di imaging che combinano microscopia a due fotoni e a foglio di luce, hanno arricchito la visita con dimostrazioni pratiche. La curiosità interdisciplinare degli studenti (es. collegare meccanismi sinaptici a modelli di memoria nell’IA) ha reso l’insegnamento particolarmente stimolante, favorendo una collaborazione vantaggiosa per tutti.
4. Quali sono le scoperte più significative che ha fatto nel campo della memoria?
- Progressi fondamentali nei meccanismi della plasticità sinaptica
La mia ricerca ha chiarito come la dinamica del calcio nei dendriti e nei terminali assonici agisca come un “interruttore metaplastico”, controllando i cambiamenti sinaptici a lungo termine. Usando la microscopia a due fotoni, abbiamo dimostrato come i livelli del calcio regolino finemente la forza sinaptica nei neuroni inibitori, offrendo nuove prospettive sull’apprendimento associativo e la formazione della memoria. - Scoperte rivoluzionarie sui circuiti disinibitori e sugli interneuroni VIP dell’ippocampo
Il mio lavoro ha rivelato il ruolo critico degli interneuroni che esprimono il peptide intestinale vasoattivo (VIP) nella funzione ippocampale. Abbiamo identificato i loro bersagli sinaptici e il loro coinvolgimento nella regolazione delle oscillazioni theta – un ritmo cerebrale chiave per la memoria. In particolare, abbiamo scoperto un nuovo tipo di neurone VIP GABAergico che proietta dall’ippocampo al subiculum, caratterizzato da marcatori genetici e pattern di attività unici durante l’immobilità (“cellule theta-off”). Inoltre, abbiamo dimostrato come questi interneuroni contribuiscano alla rilevazione di cambiamenti ambientali e al supporto della memoria episodica. - Metodi pionieristici per la decodifica in tempo reale l’attività neurale
Ho guidato lo sviluppo di strumenti opto-elettrofisiologici all’avanguardia, combinando imaging del calcio a due fotoni e registrazioni dei potenziali di campo in topi svegli. Questo approccio ha rivelato come gli interneuroni VIP orchestrano le oscillazioni theta, trasformando la nostra comprensione delle dinamiche di rete neurale. Più recentemente, abbiamo introdotto tecniche di fotometria wireless e optogenetica per monitorare l’attività neuronale in tempo reale durante il comportamento naturale. Queste innovazioni aprono nuove vie per lo studio della memoria e della cognizione in animali liberi di muoversi.
5. Perché consiglierebbe a un giovane di studiare l’ippocampo?
L’ippocampo è la “Stele di Rosetta” delle neuroscienze:
- Porta d’accesso alla cognizione: Integra le informazioni sensoriali, emotive e contestuali, diventando un modello ideale per lo studio della collaborazione tra sistemi cerebrali distribuiti.
- Rilevanza clinica: Disfunzioni ippocampali sono alla base di Alzheimer, PTSD ed epilessia. Comprendere i suoi circuiti può condurre a terapie per i disturbi della memoria.
- Interesse interdisciplinare: Dalla biologia molecolare (es. neurogenesi) all’intelligenza artificiale (es. reti neurali ispirate all’ippocampo), offre molteplici percorsi di ricerca.
- Profondità filosofica: Sfida a esplorare come i processi biologici diano origine all’esperienza soggettiva – l’essenza stessa dell’essere umano.
Per i giovani scienziati, l’ippocampo rappresenta una frontiera in cui la scoperta guidata dalla curiosità si coniuga con un impatto clinico trasformativo. Studiare l’ippocampo non riguarda solo la memoria, ma anche la decodifica le basi neurali dell’identità stessa