Nuove scoperte chiariscono dove e come hanno origine le "onde lente" del cervello. Questi impulsi ritmici di segnale, che attraversano il cervello durante il sonno profondo al ritmo di circa un ciclo al secondo, sono ritenuti importanti per processi come il consolidamento della memoria.
Per la prima volta, dei ricercatori hanno dimostrato conclusivamente che le onde lente iniziano nella corteccia cerebrale, la parte del cervello responsabile delle funzioni cognitive. Hanno anche scoperto che una tale onda può essere messa in moto da un piccolo gruppo di neuroni.
Un breve impulso di luce inviato ad un gruppo locale di neuroni con una fibra ottica può indurre un'onda di attività neuronale che si diffonde nell'intera corteccia. L'esperimento effettivo, spiegato qui sopra in un modello computerizzato del cervello di topo, è eseguito sul cervello intatto di un topo vivo sotto anestesia. (Credit: Prof. Albrecht Stroh / Copyright University of Mainz) |
"Il cervello è una macchina del ritmo, produce tutti i tipi di ritmi per tutto il tempo", dice il Prof. Arthur Konnerth della Technische Universitaet Muenchen (TUM). "Questi sono orologi che aiutano a mantenere molte parti del cervello sulla stessa pagina". Uno di questi gestori del tempo produce le cosiddette onde lente del sonno profondo, che sono ritenute coinvolte nella trasmutazione di frammenti di esperienza e di apprendimento della giornata in ricordi duraturi. Possono essere osservati nelle fasi molto precoci dello sviluppo, e possono essere interrotte in malattie come l'Alzheimer.
Studi precedenti, che si basavano sopratutto su misure elettriche, mancavano della risoluzione spaziale per mappare l'avvio e la propagazione delle onde lente con precisione. Ma usando la luce, il gruppo di Konnerth che ha sede a Monaco, in collaborazione con ricercatori di Stanford e dell'Università di Mainz, sono riusciti sia a stimolare le onde lente che ad osservarle con un dettaglio senza precedenti.
Uno dei risultati chiave conferma che le onde lente nascono solo nella corteccia, escludendo altre ipotesi di lunga data. "La seconda scoperta importante", scrive Konnerth, "è che sui miliardi di cellule del cervello, ci vogliono non più di un gruppo locale di 50-100 neuroni in uno strato profondo della corteccia, chiamata strato 5, per generare un'onda che si estende su tutto il cervello".
Nuova luce su un meccanismo neurale fondamentale
Nonostante tutte le indagini sulle onde lente del cervello, le risposte definitive sul meccanismo del circuito sottostante erano rimaste finora eluse. Dove si trova il generatore, il "pacemaker", di questo ritmo? Dove cominciano e dove si fermano le onde? Questo studio (basato su un sistema di rilevamento ottico del cervello intatto di topi vivi sotto anestesia) fornisce ora la base per una visione dettagliata e completa.
"Abbiamo implementato un approccio optogenetico combinato con il rilevamento ottico dell'attività neuronale per esplorare le caratteristiche causali di queste oscillazioni lente (transizioni Up-Down di stato), che rappresentano il ritmo dominante della rete nel sonno", spiega il Prof. Albrecht Stroh della Johannes Gutenberg di Mainz. L'optogenetica è una nuova tecnica che permette ai ricercatori di inserire i canali sensibili alla luce in specifici tipi di neuroni, per renderli reattivi alla stimolazione luminosa. Questo ha permesso la stimolazione selettiva e spazialmente definita di un piccolo numero di neuroni corticali e talamici.
L'accesso al cervello attraverso le fibre ottiche permette sia per la registrazione microscopica che la stimolazione diretta dei neuroni. Sono utilizzati anche lampi di luce vicino agli occhi del topo per stimolare i neuroni nella corteccia visiva. Registrando il flusso di ioni di calcio (un segnale chimico che può servire da lettura spazialmente più precisa dell'attività elettrica), i ricercatori hanno reso visibili le onde lente.
Essi hanno inoltre correlato le registrazioni ottiche alle misure elettriche più convenzionali. Il risultato è la possibilità di osservare la diffusione di singoli fronti d'onda - come le increspature di un sasso gettato in un lago tranquillo - all'inizio attraverso la corteccia e poi attraverso altre strutture cerebrali.
Comincia ad emergere una nuova immagine: non solo è possibile che un piccolo gruppo locale di neuroni possa avviare un'onda lenta che si diffonde in lungo e in largo, comprendendo più regioni del cervello in un unico evento, ma questo sembra essere normale. "In condizioni spontanee", dice Konnerth, "come accade a tutti noi ogni notte nel sonno profondo, ogni parte della corteccia può essere un sito di partenza".
Inoltre nel ritmo onde lente si può vedere un protocollo di comunicazione sorprendentemente semplice. Durante ciascun ciclo da un secondo, un singolo gruppo di neuroni invia il segnale e tutti gli altri sono silenziati, come se, a rotazione, cercassero i frammenti di esperienza o di apprendimento, e costruissero blocchi di memoria.
I ricercatori considerano questi risultati come un passo verso una migliore comprensione dell'apprendimento e della formazione della memoria, un argomento che il gruppo di Konnerth sta studiando con il finanziamento del Consiglio europeo della ricerca. Stanno anche esaminando il modo in cui si comportano le onde lente durante la malattia.
Fonte: Technische Universitaet Muenchen, via EurekAlert!, un servizio di AAAS.
Riferimento: Albrecht Stroh, Helmuth Adelsberger, Alexander Groh, Charlotta Rühlmann, Sebastian Fischer, Anja Schierloh, Karl Deisseroth, Arthur Konnerth. Making Waves: Initiation and Propagation of Corticothalamic Ca2 Waves In Vivo. Neuron, 2013; 77 (6): 1136 DOI: 10.1016/j.neuron.2013.01.031.
Pubblicato in Science Daily il 18 Aprile 2013 - Traduzione di Franco Pellizzari.
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