Uno dei più grandi enigmi nel campo delle neuroscienze è il modo in cui il nostro cervello codifica pensieri come le percezioni e i ricordi, a livello cellulare.

Alcune evidenze suggeriscono che insiemi di neuroni rappresentano ognuno un pezzo unico di informazioni, ma non si sa a cosa assomigliano questi insiemi, o come si formano.

Un nuovo studio condotto da ricercatori del MIT e della Boston University (BU) mette in luce come gli insiemi neurali formano pensieri e sostengono la flessibilità di cambiare la mente. Il team di ricerca, guidato da Earl Miller, professore Picower di Neuroscienze al MIT, ha identificato i gruppi di neuroni che codificano specifiche regole comportamentali oscillando in sincronia l'uno con l'altro. I risultati, pubblicati nel numero del 21 Novembre della rivista Neuron, suggeriscono che la natura del pensiero cosciente può essere ritmica.

"Mentre parliamo, i pensieri fluttuano dentro e fuori la nostra testa. Questi sono tutti insiemi che si formano e poi si riconfigurano in qualcosa d'altro. E' da sempre un mistero come il cervello lo fa", dice Miller, che è anche membro del Picower Institute for Learning and Memory del MIT. "Questo è il problema fondamentale di cui stiamo parlando - la natura intrinseca del pensiero stesso".

Regole di comportamento

I ricercatori hanno identificato due insiemi neurali nel cervello di scimmie addestrate a rispondere a oggetti in base sia al colore che all'orientamento. Questo compito richiede flessibilità cognitiva: la possibilità di passare tra due gruppi distinti di regole di comportamento. "In realtà si stanno concentrando su alcune parti delle informazioni del mondo e ignorandone altre. Quale comportamento seguire dipende dal contesto", dice Tim Buschman, un postdottorato del MIT e uno dei principali autori dello studio.

Mentre gli animali commutavano tra le attività, i ricercatori hanno misurato le onde cerebrali prodotte in diversi punti della corteccia prefrontale, dove ha luogo la maggior parte della pianificazione e del pensiero. Queste onde sono generate da fluttuazioni ritmiche dell'attività elettrica dei neuroni. Quando gli animali rispondevano agli oggetti in base all'orientamento, i ricercatori hanno scoperto che alcuni neuroni oscillavano alle alte frequenze che producono le cosiddette onde beta. Quando invece la regola richiesta era il colore, nella frequenza beta oscillava un insieme differente di neuroni. Alcuni neuroni erano sovrapposti, appartenevano a più di un gruppo, ma ogni insieme ha il suo proprio modello distintivo.

È interessante notare che i ricercatori hanno visto anche oscillazioni nella gamma bassa della frequenza alfa tra i neuroni che compongono l'insieme "regola di orientamento", ma solo quando è stato applicata la "regola colore". I ricercatori ritengono che le onde alfa, che sono associate alla soppressione dell'attività cerebrale, aiutano a calmare i neuroni che attivano la "regola orientamento". "Questo suggerisce che l'orientamento è dominante, e il colore è più debole. Il cervello getta questa esplosione di alfa sul complesso orientamento per zittirlo, in modo che l'animale potesse utilizzare l'insieme più debole", dice Miller.

Anche Eric Denovellis, studente laureato della Boston University, è uno degli autori principali dello studio. Altri autori sono Cinira Diogo, ex postdottorato del Picower Institute, e Daniel Bullock, professore di sistemi cognitivi e neurali della BU.

Oscillazione come coscienza

I ricercatori stanno ora cercando di capire come questi gruppi neurali coordinano la loro attività mentre il cervello passa da una all'altra delle diverse norme, o pensieri. Alcuni neuroscienziati hanno teorizzato che le strutture più profonde del cervello, come il talamo, gestiscano questo coordinamento, ma non si sa per certo, dice Miller. "E' uno dei più grandi misteri della cognizione, ciò che controlla i nostri pensieri", dice.

Questo lavoro potrebbe anche contribuire a svelare le basi neurali della coscienza. "La caratteristica più fondamentale della coscienza è la sua capacità limitata. Si possono avere solo molto pochi pensieri nella mente allo stesso tempo", dice Miller. Queste oscillazioni possono spiegare perché questo succede: studi precedenti hanno dimostrato che quando un animale è in possesso di due pensieri in mente, oscillano nelle frequenze beta due insiemi diversi, fuori fase tra loro.

"Questo ci fa intuire immediatamente perché c'è una limitata capacità della coscienza: solo un certo numero di palle può essere tenuto in aria, allo stesso tempo, solo una quantità limitata di informazioni può essere inserita in un ciclo oscillatorio", dice Miller. Il deterioramento di queste oscillazioni può essere coinvolto nei disturbi neurologici come la schizofrenia; studi hanno dimostrato che i pazienti con schizofrenia hanno oscillazioni beta ridotte.

La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation e dall'Istituto Nazionale della Salute Mentale.

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Fonte: Materiale del Massachusetts Institute of Technology. Articolo originale scritto da Anne Trafton.

Riferimento: Timothy J. Buschman, Eric L. Denovellis, Cinira Diogo, Daniel Bullock, Earl K. Miller. Synchronous Oscillatory Neural Ensembles for Rules in the Prefrontal Cortex. Neuron, 2012; 76 (4): 838 DOI: 10.1016/j.neuron.2012.09.029.

Pubblicato in ScienceDaily il 21 Novembre 2012 - Traduzione di Franco Pellizzari.

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