Ricerche

Da oltre un secolo sono osservate e studiate onde di attività neuronale sincronizzate e coordinate nel cervello. Ma per la prima volta, i ricercatori dell'Università di Yale di New Haven (Connecticut/USA) hanno identificato dove emerge un certo tipo di esse, chiamato attività gamma, e lo hanno collegato al comportamento. Sviluppando un nuovo approccio molto più preciso per misurare questa attività, i ricercatori hanno superato le principali sfide che hanno limitato la comprensione del ruolo di queste onde nell’elaborazione delle informazioni e nell’avvio del comportamento. I risultati sono pubblicati su Nature.

Jessica Cardin PhD, prof.ssa di neuroscienze di Yale e autrice senior dello studio, non aveva intenzione di studiare questo tipo di attività cerebrale. Ha lavorato sulle onde gamma come postdottorato e con quel lavoro ha dimostrato per la prima volta che è possibile avviare artificialmente queste onde nel cervello. Ma il problema era che quello che lei definisce «esperimento perfetto» non è realmente possibile con questi ritmi di attività.

Il modo per determinare cosa stanno facendo nel cervello cose come le onde gamma o, diciamo, un gene o una particolare proteina, è romperli e vedere cosa succede. Silenzia quel gene e vedi come influenza il comportamento, per esempio. "Il problema è, ed è sempre stato, che una cosa come un'oscillazione o uno schema di attività, non puoi davvero spegnerla senza influenzare tutto il circuito cerebrale circostante", dice la Cardin. "Così, quando ho avviato il mio laboratorio, ho pensato che non avremmo mai lavorato in questo settore".

Ma poi uno dei suoi dottorandi, Quentin Perrenoud PhD, primo autore dello studio, le ha mostrato alcuni dati interessanti che aveva raccolto mentre cercava di tracciare il flusso di informazioni nel cervello durante un compito. Sembrava proprio che le onde gamma potessero predire il comportamento. Quindi hanno seguito la scienza e le loro scoperte hanno ribaltato il modo in cui gli scienziati pensano a come emergono queste onde nel cervello. "Non è proprio un esperimento perfetto, ma è molto più vicino a un esperimento perfetto di quanto siamo mai riusciti a ottenere", afferma Cardin.

L'attività gamma emerge dalle interazioni tra il talamo e la corteccia

Per lo studio, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo approccio per misurare le onde gamma. Mentre una volta si pensava che queste oscillazioni fossero continue, assomigliando molto a un’onda sonora con uno schema ininterrotto di picchi e avvallamenti, ricerche più recenti hanno trovato prove che l’oscillazione non è del tutto continua ma può avvenire in piccole raffiche. 

Seguendo questa idea, i ricercatori hanno registrato l’attività cerebrale in 16 diversi siti nella corteccia visuale – la parte del cervello che elabora la vista – per formare un panorama molto più dettagliato degli aspetti spaziali e temporali dell’attività gamma. Quindi hanno suddiviso i dati in singoli eventi, proprio come il ciclo picco-dopo-picco di un’onda. Se l’attività gamma fosse davvero un’oscillazione, mettere insieme ciascuno di questi singoli eventi dovrebbe apparire come un’onda continua che attraversa ciascuno dei punti in cui i ricercatori hanno registrato. "Ma si è scoperto che questi eventi possono accadere insieme, o in piccoli scoppi, o da soli", dice la Cardin. "Non stanno accadendo in una lunga sequenza".

Questo approccio, che i ricercatori hanno chiamato CBASS (Clustering Band-limited Activity by State and Spectrotemporal feature), offre un livello di sensibilità molto maggiore rispetto ad altre tecniche per lo studio dell’attività gamma. "Ci permette di ottenere tempi molto precisi e di identificare chiaramente questi brevi eventi, il che significa che possiamo mapparli con grande precisione durante momenti interessanti, come quando un animale prende una decisione", dice la Cardin. “Ciò significa che possiamo confrontare gli eventi nel cervello con il comportamento dell’animale con una precisione maggiore di quanto ottenuto finora”.

Per quanto riguarda il luogo in cui si verifica l’attività gamma, ci sono due scuole di pensiero. Molte delle prove disponibili supportano l’idea che l’attività gamma sia generata nella corteccia. Ma alcune ricerche hanno suggerito che la corteccia eredita l’attività da altre parti del cervello, ad esempio dal talamo, che invia molte informazioni sensoriali e motorie alla corteccia. "Con questo nuovo metodo, i nostri dati suggeriscono che entrambe sono sbagliate e che questa attività insorge da un'interazione tra talamo e corteccia. La gamma si forma dinamicamente quando il talamo invia input alla corteccia, dove viene poi amplificato", afferma la Cardin.

Distruggere segnali dal talamo influenza il comportamento

La precisione del CBASS offre ai ricercatori anche la tanto ricercata capacità di rompere il sistema, di interrompere questi schemi di attività in un modo che non influisca sull’intero cervello. Per farlo, i ricercatori hanno inizialmente allenato i topi su un compito visuale, dove ricevevano una ricompensa se leccavano uno spruzzo di acqua solo quando veniva mostrato un particolare stimolo visivo.

Quindi, i ricercatori hanno interrotto i segnali che il talamo inviava alla corteccia, che, a sua volta, ha interrotto l’attività gamma nella corteccia. Questa interruzione delle onde gamma ha causato un peggioramento delle prestazioni dei topi nel compito visivo. Quindi i ricercatori hanno adottato l’approccio opposto e hanno avviato artificialmente l’attività gamma.

"Abbiamo registrato l'attività gamma dei topi che rilevavano lo stimolo visivo e poi l'abbiamo riprodotta nel cervello di altri topi. E quando lo abbiamo fatto, abbiamo indotto i topi a pensare di aver rilevato uno stimolo", dice la Cardin.

Insieme, i risultati indicano che l’attività gamma nella corteccia supporta l’integrazione delle informazioni visive ed è coinvolta nelle risposte comportamentali che emergono da tale integrazione. E questa è un'informazione importante, poiché gli studi hanno dimostrato che questo tipo di attività è alterata nelle persone con disturbi dello sviluppo neurologico, schizofrenia e disturbo bipolare, nonché nelle malattie neurodegenerative.

Il laboratorio di Cardin sta ora esaminando se si può usare l’attività gamma nella corteccia come biomarcatore precoce per condizioni come l'Alzheimer. L’acetilcolina e la norepinefrina, molecole di segnalazione chiave nel talamo e nella corteccia, sono strettamente legate alla cognizione e sono perse nelle malattie neurodegenerative. È noto che questi segnali neuromodulatori regolano il modello dell’attività cerebrale.

“Stiamo iniziando a esaminare come i segnali neuromodulatori sono associati a questi eventi gamma e applicheremo i nostri strumenti per comprendere meglio la sequenza di cose che vanno storte nella neurodegenerazione”, afferma la Cardin. “Ciò potrebbe portare a un biomarcatore precoce interpretabile per l'Alzheimer facilmente accessibile negli esseri umani”.