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Un oceano nel tuo cervello: le onde cerebrali interagenti sono la chiave del modo in cui elaboriamo le informazioni

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Credito: Pixabay/CC0 di dominio pubblico

Per anni, il cervello è stato pensato come un computer biologico che elabora le informazioni attraverso circuiti tradizionali, per cui i dati passano direttamente da una cellula all’altra. Sebbene quel modello sia ancora accurato, un nuovo studio condotto dal professor Thomas Albright di Salk e dallo scienziato del personale Sergei Gepshtein mostra che esiste anche un secondo modo molto diverso in cui il cervello analizza le informazioni: attraverso le interazioni delle onde di attività neurale. I risultati, pubblicati in La scienza avanza il 22 aprile 2022, aiuta i ricercatori a capire meglio come il cervello elabora le informazioni.

“Ora abbiamo una nuova comprensione di come funziona la macchina computazionale del cervello”, afferma Albright, Conrad T. Prebys Chair in Vision Research e direttore del Vision Center Laboratory di Salk. “Il modello aiuta a spiegare come lo stato sottostante del cervello può cambiare, influenzando l’attenzione, la concentrazione o la capacità delle persone di elaborare le informazioni”.

I ricercatori sanno da tempo che nel cervello esistono onde di attività elettrica, sia durante il sonno che durante la veglia. Ma le teorie di fondo su come il cervello elabora le informazioni, in particolare le informazioni sensoriali, come la vista di una luce o il suono di una campana, ruotano attorno al rilevamento di informazioni da parte di cellule cerebrali specializzate e poi trasmesse da un neurone all’altro come un staffetta.

Questo modello tradizionale del cervello, tuttavia, non potrebbe spiegare come una singola cellula sensoriale possa reagire in modo così diverso alla stessa cosa in condizioni diverse. Una cellula, ad esempio, potrebbe attivarsi in risposta a un rapido lampo di luce quando un animale è particolarmente vigile, ma rimarrà inattiva in risposta alla stessa luce se l’attenzione dell’animale è focalizzata su qualcos’altro.

Gepshtein paragona la nuova comprensione alla dualità onda-particella in fisica e chimica, l’idea che la luce e la materia abbiano proprietà sia delle particelle che delle onde. In alcune situazioni, la luce si comporta come se fosse una particella (detta anche fotone). In altre situazioni, si comporta come se fosse un’onda. Le particelle sono confinate in una posizione specifica e le onde sono distribuite in molte posizioni. Entrambe le visioni della luce sono necessarie per spiegare il suo complesso comportamento.

“La visione tradizionale della funzione cerebrale descrive l’attività cerebrale come un’interazione di neuroni. Poiché ogni neurone è confinato in una posizione specifica, questa visione è simile alla descrizione della luce come particella”, afferma Gepshtein, direttore del Salk’s Collaboratory for Adaptive Sensory Tecnologie. “Abbiamo scoperto che in alcune situazioni, l’attività cerebrale è meglio descritta come interazione delle onde, che è simile alla descrizione della luce come un’onda. Entrambi i punti di vista sono necessari per comprendere il cervello”.

Alcune proprietà delle cellule sensoriali osservate in passato non erano facili da spiegare dato l’approccio “particellare” al cervello. Nel nuovo studio, il team ha osservato l’attività di 139 neuroni in un modello animale per capire meglio come le cellule hanno coordinato la loro risposta alle informazioni visive. In collaborazione con il fisico Sergey Savel’ev della Loughborough University, hanno creato una struttura matematica per interpretare l’attività dei neuroni e prevedere nuovi fenomeni.

Il modo migliore per spiegare come si comportavano i neuroni, hanno scoperto, era attraverso l’interazione di onde di attività microscopiche piuttosto che l’interazione dei singoli neuroni. Piuttosto che un lampo di luce che attiva cellule sensoriali specializzate, i ricercatori hanno mostrato come crea schemi distribuiti: onde di attività attraverso molte cellule vicine, con picchi e depressioni di attivazione alternati, come le onde dell’oceano.

Quando queste onde vengono generate simultaneamente in diversi punti del cervello, inevitabilmente si scontrano l’una con l’altra. Se due picchi di attività si incontrano, generano un’attività ancora più elevata, mentre se una depressione di bassa attività incontra un picco, potrebbe annullarla. Questo processo è chiamato interferenza delle onde.

“Quando sei fuori nel mondo, ci sono molti, molti input e quindi vengono generate tutte queste diverse onde”, afferma Albright. “La risposta netta del cervello al mondo intorno a te ha a che fare con il modo in cui tutte queste onde interagiscono”.

Per testare il loro modello matematico di come le onde neurali si verificano nel cervello, il team ha progettato un esperimento visivo di accompagnamento. A due persone è stato chiesto di rilevare una sottile linea debole (“sonda”) situata su uno schermo e fiancheggiata da altri schemi di luce. Il modo in cui le persone hanno svolto questo compito, hanno scoperto i ricercatori, dipendeva da dove si trovava la sonda. La capacità di rilevare la sonda è stata elevata in alcune posizioni e ridotta in altre posizioni, formando un’onda spaziale prevista dal modello.

“La tua capacità di vedere questa sonda in ogni luogo dipenderà da come le onde neurali si sovrappongono in quel luogo”, afferma Gepshtein, che è anche membro del Salk’s Center for the Neurobiology of Vision. “E ora abbiamo proposto come il cervello lo media”.

La scoperta di come interagiscono le onde neurali è molto più vasta della spiegazione di questa illusione ottica. I ricercatori ipotizzano che gli stessi tipi di onde vengano generati – e interagiscono tra loro – in ogni parte della corteccia cerebrale, non solo nella parte responsabile dell’analisi delle informazioni visive. Ciò significa che le onde generate dal cervello stesso, da segnali sottili nell’ambiente o stati d’animo interni, possono cambiare le onde generate dagli input sensoriali.

Questo potrebbe spiegare come la risposta del cervello a qualcosa possa cambiare di giorno in giorno, affermano i ricercatori.

Altri coautori dell’articolo includono Ambarish Pawar di Salk e Sunwoo Kwon dell’Università della California, Berkeley.


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