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Ricerche

Il rumore disturba la bussola del cervello: indizi per diagnosi precoce di Alzheimer

Neuron compute like a compass

Il nostro senso di direzione tende a diminuire con l'età. Ricercatori del Centro tedesco per le malattie neurodegenerative (DZNE) ed esperti USA riferiscono nella rivista scientifica Nature Communications nuove intuizioni sulle cause di questo fenomeno.


Secondo i loro risultati, la principale fonte di errori per determinare la posizione spaziale, e apparentemente la causa dei problemi di orientamento legati all'età, è una percezione 'rumorosa' e quindi imprecisa della velocità con cui ci si sta muovendo. Questi risultati dello studio potrebbero contribuire allo sviluppo di strumenti diagnostici per la diagnosi precoce della demenza.


Dagli stimoli visivi, ai segnali di ritorno dai muscoli e quelli ritrasmessi dal sistema vestibolare, il cervello umano usa una vasta gamma di stimoli sensoriali per determinare la posizione e guidarci nello spazio. Una parte essenziale della necessaria elaborazione delle informazioni avviene nella 'corteccia entorinale'. In questa zona, che è presente in entrambi gli emisferi del cervello, ci sono neuroni speciali che generano una mappa mentale dell'ambiente fisico. Così, le informazioni sullo spazio reale si traducono in un 'formato di dati', che il cervello è in grado di elaborare.


“Il sistema di navigazione umano funziona abbastanza bene. Ma non è senza macchia”, ha spiegato il Prof. Thomas Wolbers, ricercatore del DZNE di Magdeburgo. “Sappiamo bene che ci sono persone con buone capacità di orientamento e altre che trovano più difficile trovare la strada. Questa capacità di solito diminuisce con l'età, perché gli anziani in genere trovano l'orientamento spaziale più difficile degli individui più giovani, soprattutto in ambienti non familiari. Pertanto, le probabilità di perdersi aumentano con l'età“.

 

Studio nello spazio virtuale

Per comprendere le cause di questo declino, gli scienziati del DZNE guidati da Thomas Wolbers, in collaborazione con esperti del MIT-Massachusetts Institute of Technology e dell'Università del Texas di Austin, hanno progettato uno specifico esperimento: 60 giovani adulti e anziani cognitivamente sani, dotati di visori di 'realtà virtuale', dovevano muoversi e orientarsi - separatamente gli uni dagli altri - all'interno di un ambiente generato digitalmente.


Allo stesso tempo, i partecipanti si muovevano anche fisicamente lungo percorsi contorti. Erano assistiti da uno sperimentatore che guidava per mano ogni singola persona sottoposta al test. Così facendo, la locomozione reale portava direttamente a movimenti nello spazio virtuale. “Si tratta di un ambiente artificiale, ma riflette aspetti di situazioni reali”, ha detto Wolbers.


Durante l'esperimento, i partecipanti dovevano stimare più volte la distanza e la direzione fino al punto di partenza del percorso. Poiché l'ambiente virtuale offriva solo alcuni segnali visivi per l'orientamento, i partecipanti dovevano contare soprattutto su altri stimoli. Wolbers spiega:

“Abbiamo esaminato con precisione come i partecipanti erano in grado di valutare la loro posizione nello spazio e quindi abbiamo testato ciò che è noto come integrazione del percorso (path integration). In altre parole, la capacità di determinare la posizione sulla base della consapevolezza del corpo e della percezione del proprio movimento. L'integrazione del percorso è considerata una funzione centrale dell'orientamento spaziale“.

 

Modello 'rumoroso'

Altrettanto importante dell'impostazione sperimentale è stata la modellazione matematica dei dati misurati. Questa era basata su un approccio per descrivere gli effetti di interferenza sulla determinazione della posizione come rumore.


“Il corpo umano ed i suoi organi sensoriali sono ben lungi dall'essere perfetti. L'elaborazione delle informazioni nel cervello è quindi influenzata da difetti, che possono essere interpretati come rumore. È come una trasmissione radiofonica in cui il rumore può sovrapporsi al segnale vero e proprio“
, ha detto Wolbers. “Con l'aiuto del nostro modello matematico, siamo riusciti a svelare i contributi delle varie fonti di errore e di identificare ciò che distorce di più il tracciamento della posizione e ciò che ha poco effetto. Tali fonti di errore non sono mai state indagate a questo livello di dettaglio”.


Ad esempio, la valutazione dei dati ha mostrato che la rotazione del corpo nella direzione del punto di partenza del percorso era sempre abbastanza precisa. E gli errori di memoria non avevano praticamente alcun ruolo. “Per determinare la posizione nello spazio, mentre si è in movimento, è necessario aggiornare costantemente la nostra posizione nella mente. Ciò richiede di ricordare dove si era istanti prima. A questo proposito, la nostra analisi ha trovato solo errori minimi“, ha detto Wolbers.

 

Una questione di velocità

La conclusione del gruppo di ricerca: errori nella integrazione del percorso sono principalmente causati dall' “accumulo di rumore interno” nel trattamento delle informazioni, e questo fenomeno è probabilmente una conseguenza di inesattezze nella percezione della velocità di movimento.


"Va notato che gli esseri umani stimano in modo intuitivo le distanze percorse, sulla base del tempo e della velocità con cui viaggiavano prima. Tuttavia, il nostro studio suggerisce che la fonte critica di errori per la determinazione della posizione non è la percezione del tempo, ma le fluttuazioni apparentemente casuali nelle informazioni sulla velocità che arrivano al cervello“
, ha detto Wolbers.


Questa fonte di errore era dominante sia nei giovani adulti (età media 22 anni) che negli anziani (età media 69 anni). “I soggetti giovani andavano generalmente meglio a orientarsi rispetto ai partecipanti più anziani. L'accumulo di rumore interno aumenta criticamente con l'età. Questo fenomeno è apparentemente la causa principale del deficit nell'integrazione del percorso e probabilmente anche l'innesco per i problemi di orientamento legati all'età. Tuttavia, non sappiamo ancora l'origine esatta di questo rumore e perché aumenta con l'età“, ha detto Wolbers.

 

Diagnosi precoce di demenza

In studi precedenti, Wolbers e altri ricercatori del DZNE avevano scoperto negli anziani cognitivamente sani che alcuni neuroni della corteccia entorinale (le cosiddette cellule di griglia), che sono essenziali per la navigazione spaziale, sparano in modo irregolare: la loro attività è instabile. Questo era legato a difficoltà di orientamento legate all'età.


I risultati attuali suggeriscono che queste instabilità non sono dovute a malfunzionamenti delle stesse cellule di griglia, ma sono causate dal rumore esterno. Il problema è quindi non nelle cellule di griglia ma nel flusso di informazioni che raggiunge la corteccia entorinale. Questo indica una possibilità per la diagnosi precoce del morbo di Alzheimer (MA).


“Il MA è associato a un danno alla corteccia entorinale in una fase precoce. È quindi ragionevole supporre che i disturbi di orientamento, come quelli che si manifestano nel MA hanno origine in questa zona del cervello. A differenza delle difficoltà di orientamento legate all'età, come suggerisce il nostro studio“
, ha spiegato Wolbers. “Questo potrebbe offrire l'opportunità di distinguere i normali problemi di orientamento legati all'età da quelli causati dal MA. A lungo termine, il nostro obiettivo è sviluppare metodi diagnostici che rilevano il MA in una fase precoce. Questo potrebbe essere possibile con tecnologie come la realtà virtuale. Attualmente stiamo preparando studi clinici su questo“.

 

 

 


Fonte: DZNE - German Center for Neurodegenerative Diseases (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

Riferimenti: Matthias Stangl, Ingmar Kanitscheider, Martin Riemer, Ila Fiete, Thomas Wolbers. Sources of path integration error in young and aging humans. Nature Communications, 2020, DOI

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