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Ricerche

La natura 'viaggiante' delle onde cerebrali può aiutare la memoria di lavoro

L'atto di tenere in mente le informazioni è accompagnato dal coordinamento di onde cerebrali rotanti nella corteccia prefrontale, secondo un nuovo studio.

Football fans raise the arms Le onde della 'ola' allo stadio si formano quando i tifosi di sezioni adiacenti si alzano e poi si siedono in sequenza. Questo crea un'onda che viaggia nella folla anche se nessun singolo tifoso lascia il suo posto. (Foto: Saul Young/News Sentinel)

Dopo più di un secolo di ricerche, non conosciamo ancora completamente la significatività delle onde cerebrali, l'attività elettrica coordinata e ritmica dei gruppi di cellule cerebrali. Un aspetto particolarmente sottovalutato del fenomeno è che le onde si propagano nello spazio, o 'viaggiano', nelle varie regioni del cervello, nel tempo.


Un nuovo studio di ricercatori del Picower Institute for Learning and Memory del MIT di Boston ha misurato nella corteccia prefrontale del cervello come viaggiano le onde nella memoria di lavoro, per indagare sui vantaggi funzionali che questo movimento apparente può produrre.


"La maggior parte della letteratura nelle neuroscienze coinvolge elettrodi affiancati e l'analisi delle variazioni del tempo"
, come i cambiamenti di potenza in una particolare frequenza, ha detto il primo autore Sayak Bhattacharya, postdottorato nel laboratorio dell'autore senior prof. Earl Miller, al Picower. "È importante valutare che ci sono anche sfumature spaziali. Le oscillazioni cerebrali si muovono attraverso la corteccia sotto forma di onde viaggianti. Queste onde sono simili alle 'ola' dello stadio, in cui nulla si muove realmente, ma il movimento su-e-giù sequenziale dei tifosi vicini conferisce l'aspetto di un'onda che viaggia".


In altre parole, mentre i neuroni sotto un elettrodo di ascolto potrebbero avere scoppi di attività a una particolare frequenza, è anche vero che, poco prima che si ravvivassero, i neuroni nelle vicinanze in qualche direzione lo avevano già fatto e molto presto altri dall'altra parte lo faranno. Bhattacharya, Miller e i coautori hanno guidato lo studio, pubblicato su PLOS Computational Biology, per capire cosa potrebbe significare questo per la funzione vitale della memoria di lavoro nel cervello, dove dobbiamo tenere in mente nuove informazioni per usarle. È con essa che ricordiamo le indicazioni per il bagno che ci sono appena state date, o i piatti del giorno al ristorante.


Per fare questo, hanno riesaminato dei dati vecchi che avevano registrato negli animali impegnati in un semplice gioco per la memoria di lavoro. Gli animali vedevano una singola immagine su uno schermo e dopo una breve pausa lo rivedevano insieme ad altre immagini. Per ottenere una piccola ricompensa, dovevano fissare il loro sguardo sull'immagine originale.


È un gioco semplice ma le piccole fasi (guardare la nuova immagine, ricordarla durante la pausa, riconoscerla e fissarla nel gruppo) forniscono momenti distinti di percezione e memoria, e poi usarle. Combinando le registrazioni di elettrodi ottenute dagli animali durante le sessioni del gioco, Bhattacharya è riuscito ad analizzare se le onde registrate viaggiavano in ogni momento, e come.


Ha scoperto che c'erano molte onde distinte, a varie bande di frequenza, che andavano avanti e indietro nei vari elettrodi, in varie direzioni. Calcoli accurati hanno rivelato che le onde stavano effettivamente ruotando in modelli simili a cerchi intorno ai punti anatomici centrali all'interno della corteccia prefrontale (di nuovo, come l'ola in uno stadio di calcio ruota attorno al campo del gioco). Ciò è notevole perché negli altri studi sulle onde viaggianti, di solito le onde sono piane, il che significa che si muovono da un punto all'altro piuttosto che andare in giro come in un circuito.


Inoltre, ha detto Miller, le onde cambiavano direzione in modi particolarmente importanti. Quando gli animali erano inattivi, direzioni diverse del movimento (es.: senso orario o antiorario) erano praticamente mischiate, ma in momenti diversi durante il compito, le direzioni specifiche sono diventate significativamente più prominenti in varie bande di frequenza. Questo era particolarmente vero tra le onde di frequenza beta, che diventavano molto più uniformi nella loro direzione solo mentre gli animali facevano il gioco.


Altre frequenze sono diventate più ponderate verso direzioni particolari durante fasi specifiche del gioco (come quando veniva presentata la prima immagine). Questi cambiamenti hanno suggerito che le direzioni influenzano il modo in cui il cervello organizza la sua risposta all'attività.


"Le onde sono generalmente in viaggio ma il cervello può cambiare il loro modo di viaggiare per adattarsi a diverse funzioni cognitive"
, ha detto Miller.


In effetti ci sono diversi modi in cui le onde viaggianti rotanti possono aiutare un compito come quello della memoria di lavoro, ha notato. Per esempio, un requisito chiave della memoria di lavoro è essere in grado di mantenere le informazioni in prima linea nel pensiero cosciente, mentre sono necessarie. Un'onda stazionaria (una in cui tutti i neuroni coinvolti fossero 'accesi' o 'spenti' all'unisono) significherebbe che le informazioni potrebbero non essere disponibili quando l'attività è in pausa in tutto il gruppo. Con un'onda rotante in viaggio c'è sempre attività da qualche parte intorno al cerchio, proprio come in uno stadio di tifosi che fanno la 'ola', la sezione successiva si alza non appena quella precedente si siede.


Con un altro esempio, le onde rotanti potrebbero fornire ai neuroni una stimolazione con ricorrenza regolare e con tempi precisi, ha proseguito Miller. Ciò può promuovere il rafforzamento dei collegamenti all'interno di questi gruppi coordinati tramite un fenomeno chiamato 'plasticità dipendente da tempi di picco' (spike-timing dependent plasticity) in cui i tempi dei segnali a un neurone influenzano la forza con cui si collegherà con quello che ha inviato il segnale. I ricercatori ipotizzato anche che la tempistica potrebbe essere importante anche in un'altra funzione della corteccia prefrontale: fare previsioni.


Ci deve essere altra ricerca per sapere con certezza in che modo le onde viaggianti aiutano la memoria di lavoro. Bhattacharya ha detto che nuove informazioni potrebbero derivare dall'esame di come appaiono quando la memoria di lavoro non funziona:

"Questa attività della memoria di lavoro era piuttosto facile e i nostri animali l'hanno fatta senza troppi errori. Vogliamo studiare compiti più complicati, forse la memoria di lavoro multi-oggetto, e controllare se le onde viaggianti sono interrotte in qualche modo durante i tentativi errati. Ciò ci darebbe informazioni interessanti sulle capacità computazionali di queste onde".

 

 

 


Fonte: Picower Institute at MIT (> English) - Traduzione di Franco Pellizzari.

Riferimenti: Sayak Bhattacharya, Scott Brincat, Mikael Lundqvist, Earl Miller. Traveling waves in the prefrontal cortex during working memory. PLOS Computational Biology, 2022, DOI

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