Usando modelli Markov nascosti che analizzano sequenze di dati per prevedere i passi successivi, i ricercatori della Rice hanno mostrato come identificare strutture relative alla memoria da schemi di sparo neuronali presi mentre gli animali si riposavano. La tecnica potrebbe aiutare i neuroscienziati a capire come il cervello costruisce e impegna mappe spaziali e temporali nella memoria. (Fonte: Etienne Ackermann)

I ricordi risuonano nella mente, anche quando questa non è consapevole di elaborarli. Una nuova ricerca della Rice University e della Michigan Medicine fa un passo avanti per capire perché questi ondeggiamenti ci dicono come il cervello ordina e immagazzina le informazioni.

I ricercatori, guidati da Caleb Kemere della Rice e Kamran Diba della Michigan Medicine, hanno sviluppato uno strumento per formare modelli quantitativi della memoria. La loro strategia analizza ondate di 'spari' dei neuroni in un dato istante, in tutto l'ippocampo e oltre, mentre gli animali sono attivi e, significativamente, mentre riposano.

Il lavoro dei ricercatori usa modelli Markov nascosti usati di solito per l'apprendimento automatico nello studio di modelli sequenziali. I loro modelli hanno dimostrato che i dati minimi raccolti dal cervello durante i periodi di riposo possono essere usati per esplorare grandi idee su come sono formati e mantenuti i ricordi.

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista eLife.

I modelli di 'sparo' dei neuroni dell'ippocampo - i tessuti a forma di cavalluccio marino in ciascun emisfero del cervello - sono considerati da molto tempo importanti per la formazione e l'archiviazione dei ricordi. I ricercatori rilevano e misurano questi schemi inserendo elettrodi nel cervello per monitorarli in tempo reale.

"Gli animali codificano il ricordo di un ambiente mentre ci girano dentro", ha detto Kemere, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica, specializzato in neuroscienze. "Formano una mappa spaziale quando i singoli neuroni vengono attivati ​​in luoghi diversi. Quando nei nostri esperimenti sono svegli, probabilmente stanno eseguendo questo processo di esplorazione dal 40% al 60% delle volte. Ma per il restante 40%, si grattando o mangiano o sonnecchiano. Non dormono, ma sono in pausa; mi piace definirla introspezione".

Quei periodi di introspezione hanno fornito i dati critici per lo studio, invertendo il solito processo di abbinamento dell'attività cerebrale con il movimento mentre gli animali sono attivi. I dati primari sono stati raccolti nel corso di molti esperimenti sotto la direzione di Diba, professore associato e leader del laboratorio Neural Circuits and Memory della Michigan Medicine.

Mentre gli animali esploravano avanti e indietro dei tracciati o ambienti labirintici, gli elettrodi nel loro cervello percepivano le raffiche di onde appuntite neurali, associate all'attività neurale, chiamate «eventi a raffica di popolazione» (PBE). In questi eventi, ci sono da 50.000 a 100.000 neuroni che sparano tutti entro 100 millisecondi e inviano increspature attraverso il cervello, non ancora comprese del tutto.

Esperimenti effettuati altrove hanno mostrato che le PBE includono l'attivazione di cellule situate nell'ippocampo, quando un animale si trova in una particolare posizione. Queste cellule sparano in una sequenza che aiuta a programmare la memoria spaziale ed episodica del cervello, permettendo all'animale di costruire una mappa interna del suo ambiente.

Ma i nuovi esperimenti hanno ignorato tutte le attività neurali durante il comportamento o l'esplorazione attiva e si sono basate su dati raccolti solo quando gli animali erano in pausa (circa il 2% delle volte). I modelli del team di ricerca sono riusciti a ordinare raffiche di "richiamo" o "riattivazione" che sembrano rappresentare ricordi di altri segnali rumorosi nell'ippocampo.

I ricercatori credono che questi segnali negli animali attivi presagiscano la codifica delle cellule che formano i punti dei luoghi e mostrano che, nella mente a riposo, le PBE sono un modo per scoprire un ricordo o una mappa spaziale senza osservare direttamente quelle cellule nelle posizioni dove normalmente sparerebbero.

"Ci siamo resi conto che ci sono abbastanza dati in quei periodi di riattivazione da permetterci di costruire modelli da ciò che gli animali ricordano", ha detto Kemere. Questi risultati corrispondevano molto bene ai modelli rappresentati dall'analisi bayesiana delle onde theta generate mentre gli animali erano attivi, ha detto.

"Quando stavo registrando i dati, ero interessato principalmente all'attività neuronale durante le oscillazioni theta, quando l'animale si stava muovendo", ha detto Diba. "Tuttavia, l'informazione di riposo si è rivelata l'aspetto più interessante".

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