Ricerche

Un nuovo studio eseguito alla University of California di Los Angeles potrebbe cambiare la comprensione degli scienziati di come funziona il cervello, e potrebbe portare a nuovi approcci per il trattamento di disturbi neurologici e per lo sviluppo di computer che 'pensano' in modo più simile agli esseri umani.

La ricerca si è focalizzata sulla struttura e funzione dei dendriti, che sono dei componenti dei neuroni, le cellule nervose nel cervello. I neuroni sono grandi strutture ad albero, composte da un corpo (soma) con numerosi rami chiamati dendriti che si estendono verso l'esterno. Il soma genera impulsi elettrici brevi chiamati 'picchi' che lo collegano, e gli permettono di comunicare, con altri neuroni. Gli scienziati in generale credevano che i picchi somatici attivassero i dendriti, che quindi inviassero passivamente la corrente al soma di altri neuroni, ma finora questo non era mai stato testato direttamente.

Questo processo è la base della formazione e dell'immagazzinamento dei ricordi, e gli scienziati credevano che fosse il ruolo primario dei dendriti. Ma il team dell'UCLA ha scoperto che i dendriti non sono solo condotti passivi. La loro ricerca ha dimostrato che i dendriti sono elettricamente attivi negli animali che si muovono liberamente, generando quasi 10 volte il numero di picchi del soma. La scoperta sfida la convinzione che sono i picchi nel soma il modo principale in cui avviene la percezione, l'apprendimento e la formazione della memoria.

"I dendriti costituiscono oltre il 90 per cento del tessuto neurale", ha detto Mayank Mehta, neurofisico dell'UCLA e autore senior dello studio. "Sapere che sono molto più attivi del soma cambia radicalmente la natura della nostra comprensione di come il cervello elabora le informazioni. Potrebbe aprire la strada alla comprensione e al trattamento di disturbi neurologici, e allo sviluppo di computer simili al cervello".

La ricerca è pubblicata nel numero dello scorso 9 marzo della rivista Science.

Gli scienziati in genere credevano che i dendriti inviassero semplicemente la corrente ricevuta dalla sinapsi della cellula (la giunzione tra due neuroni) al soma, che a sua volta genera un impulso elettrico. Quelle brevi raffiche elettriche, chiamate picchi somatici, erano ritenuti il centro dell'elaborazione neurale e dell'apprendimento. Ma il nuovo studio ha dimostrato che i dendriti generano i loro picchi 10 volte più spesso rispetto al soma.

I ricercatori hanno anche scoperto che i dendriti generano grandi fluttuazioni di tensione in aggiunta ai picchi; i picchi sono eventi binari, tutto-o-niente. Il soma genera solo picchi tutto-o-niente, proprio come fanno i computer digitali. Oltre a produrre picchi simili, i dendriti generato anche grandi tensioni che variano lentamente, che sono ancora più grandi dei picchi, il che suggerisce che i dendriti eseguono un calcolo analogico.

"Abbiamo scoperto che i dendriti sono ibridi che fanno calcoli sia analogici che digitali, che sono quindi sostanzialmente diversi dai computer puramente digitali, ma in qualche modo simili ai computer quantistici che sono analogici", ha detto Mehta, professore di fisica e astronomia, di neurologia e neurobiologia all'UCLA. "Una convinzione fondamentale nel campo delle neuroscienze è che i neuroni sono dispositivi digitali: generano un picco o no. Questi risultati mostrano che i dendriti non si comportano puramente come un dispositivo digitale. I dendriti generano picchi digitali, tutto-o-niente , ma mostrano anche ampie fluttuazioni analogiche che non sono tutto-o-niente. Questo è uno scostamento importante da quello che i neuroscienziati credono da circa 60 anni".

Poiché i dendriti sono quasi 100 volte più grandi in termini di volume dei nuclei neuronali, secondo Mehta, il gran numero di picchi dendritici potrebbe implicare che il cervello ha una capacità di calcolo più di 100 volte superiore a quanto si pensava finora.

Studi recenti su porzioni di cervello hanno dimostrato che i dendriti possono generare picchi, ma non era chiaro se accade durante il comportamento naturale, né quanto spesso. La misurazione dell'attività elettrica dei dendriti durante il comportamento naturale finora era difficile perché sono molto delicati: negli studi con ratti di laboratorio, gli scienziati hanno scoperto che l'applicazione di elettrodi ai dendriti stessi, mentre gli animali si muovevano, in realtà uccideva le cellule. Ma il team dell'UCLA ha sviluppato una nuova tecnica che prevede il posizionamento degli elettrodi vicino ai dendriti, invece che direttamente su di loro.

Con questo approccio, gli scienziati hanno misurato l'attività dei dendriti per un massimo di quattro giorni nei ratti che potevano muoversi liberamente all'interno di un grande labirinto. Prendendo le misure dalla corteccia parietale posteriore, la parte del cervello che ha un ruolo chiave nella pianificazione del movimento, i ricercatori hanno trovato molta più attività nei dendriti che nel soma, un numero di picchi circa 5 volte maggiore mentre i ratti dormivano, e fino a 10 volte di più quando stavano esplorando.

"Molti modelli precedenti presupponevano che l'apprendimento avvenga quando i corpi cellulari di due neuroni sono attivi allo stesso tempo", ha detto Jason Moore, ricercatore post-dottorato dell'UCLA e primo autore dello studio. "I nostri risultati indicano che l'apprendimento può avvenire quando il neurone che invia il segnale è attivo nello stesso momento di un dendrite, e potrebbe essere che diverse parti di dendriti siano attivi in ​​tempi diversi, il che suggerirebbe molta più flessibilità nel modo in cui l'apprendimento avviene in un singolo neurone".

Esaminare il soma per capire come funziona il cervello ha fornito un quadro di riferimento per numerose questioni mediche e scientifiche, dalla diagnosi e trattamento delle malattie a come costruire i computer. Ma, secondo Mehta, tale quadro si basa sulla comprensione che è il corpo cellulare a prendere le decisioni, e che il processo è digitale.

"Quello che abbiamo trovato indica che tali decisioni vengono prese molto più spesso nei dendriti che nel corpo cellulare, e che tali calcoli non sono solo digitali, ma anche analogici", ha detto Mehta. "A causa di difficoltà tecnologiche, la ricerca sulle funzioni del cervello è in gran parte concentrata sul corpo cellulare. Ma abbiamo scoperto la vita segreta dei neuroni, in particolare nei vasti rami neuronali. I nostri risultati cambiano notevolmente la comprensione di come calcolano i neuroni".