Posizione dell'ippocampo e dell'elettrodo durante l'operazione chirurgica (Fonte: Jon Kleen)

Ricercatori dell'Università della California di San Francisco hanno rilevato una nuova funzionalità nell'attività neurale nell'ippocampo (il fulcro della memoria nel cervello) che può spiegare come questa regione vitale combini una vasta gamma di segnali, trasformandoli in ricordi multistrato che in seguito possono essere richiamati.

Attreverso uno speciale dispositivo di registrazione a 'micro-griglia' sviluppato da colleghi del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), i ricercatori dell'UCSF sono riusciti a misurare l'attività dell'ippocampo dei partecipanti allo studio sottoposti a chirurgia per trattare una epilessia grave.

Hanno scoperto che le onde cerebrali viaggiano avanti e indietro in tutta questa struttura, integrando i messaggi da diverse aree del cervello e hanno dimostrato per la prima volta ciò che gli scienziati finora avevano solo ipotizzato.

"Le registrazioni cerebrali sono una parte importante della guida della chirurgia per l'epilessia", ha detto Edward Chang MD/PhD, presidente del dipartimento di chirurgia neurologica e autore senior dello studio, apparso su Nature Communications il 12 maggio. "La nuova tecnologia a griglia ad alta densità di elettrodi usata qui ci ha permesso di vedere una nuova proprietà dell'attività dell'ippocampo finora sconosciuta".

Chang è specializzato nel trattamento dell'epilessia con chirurgia cerebrale, durante la quale l'ippocampo (una lunga struttura in profondità nel cervello, all'interno dell'area chiamata lobo temporale) è esposto e talvolta rimosso, completamente o parzialmente. L'ippocampo può essere una fonte di convulsioni per le persone con epilessia ed è una delle prime regioni cerebrali colpite dall'Alzheimer.

Gli studi precedenti avevano suggerito che le onde di attività nell'ippocampo viaggiano solo in una direzione: dalla parte posteriore, che codifica la maggior parte delle informazioni sulla posizione fisica, alla parte anteriore, che codifica le informazioni più emozionali. Per Jon Kleen MD/PhD, primo autore dello studio e assistente professore di neurologia al Weill Institute, questo viaggio a senso unico non era sufficiente per spiegare come questa piccola regione del cervello riesca a collegare più tipi di informazioni per formare un ricordo.

Ad esempio, ha detto, immagina di aver perso le chiavi in ​​Times Square. "Ti ricordi l'aspetto spaziale «dove» (Times Square), ma ricordi anche il sentimento emotivo «Oibò, ho perso le chiavi!»", ha detto. Per elaborare una esperienza, nota Kleen, ci deve essere un modo per integrare insieme le sue molte parti. Per realizzare questo avrebbe senso che le onde cerebrali viaggino tramite più percorsi per elaborare le informazioni.

La matrice di elettrodi personalizzata offre una vista bidimensionale delle onde cerebrali

Nel tentativo di testare questa ipotesi, Chang e Kleen hanno collaborato con Razi Haque, leader del Gruppo Microsistemi Impiantabili ai LLNL, per sviluppare un dispositivo che può dare un'immagine bidimensionale ad alta risoluzione dell'attività neurale. Haque ha contribuito a creare un dispositivo più piccolo di una moneta da un centesimo, contenente 32 elettrodi distanziati di 2 mm uno dall'altro in un polimero flessibile che si è adattato alla forma dell'ippocampo.

Durante la chirurgia, Chang ha posizionato delicatamente la matrice di elettrodi direttamente sull'ippocampo di sei diversi pazienti chirurgici, per monitorare l'attività elettrica mentre i pazienti riposavano. Usando algoritmi come l'apprendimento automatico per analizzare i dati, il team ha scoperto non solo che le onde cerebrali viaggiano su e giù per l'ippocampo, ma che si possono prevedere le direzioni in cui si muovono.

La squadra ha anche scoperto che, a volte, le onde di due frequenze diverse sono presenti contemporaneamente, spostandosi in direzioni diverse e potenzialmente trasportando informazioni diverse. La scoperta conferisce una nuova intuizione su come l'ippocampo può integrare le informazioni provenienti da più aree cerebrali, trasformandole in ricordi dettagliati.

Direzione dell'onda cambia con attività cognitiva

Due dei pazienti erano svegli e interagenti durante l'intervento chirurgico (uno scenario comune, poiché il cervello non ha recettori del dolore). Kleen è stato in grado di mostrare loro foto di oggetti comuni, come un cane, e di chiedere loro di ricordare la parola relativa.

I dati dell'elettrodo hanno mostrato che mentre un paziente richiamava la parola, i cicli di attività viaggiavano in modo coerente dal retro dell'ippocampo verso la parte anteriore. Secondi dopo, i cicli di attività sono cambiati, viaggiando nella direzione opposta.

"La direzione di viaggio dell'onda può essere un biomarcatore che riflette il processo cognitivo che impegna il paziente in quel momento", ha detto Kleen. "Queste osservazioni iniziali sono solo la punta dell'iceberg".

I prossimi passaggi devono fare osservazioni con una serie di elettrodi a risoluzione ancora più elevata e osservare l'attività neuronale nei pazienti che eseguono compiti cognitivi più complessi. Alla fine, egli spera che le informazioni acquisite possano portare a trattamenti con la stimolazione cerebrale profonda per migliorare le terapie neurostimolatorie che riescono molto bene nell'epilessia:

"L'obiettivo di questa ricerca è accelerare la comprensione del funzionamento dell'ippocampo, in modo da affrontare il danno ad esso che vediamo nei pazienti con epilessia e con Alzheimer.

"Se scopriamo che, in alcuni pazienti, le onde non viaggiano nel modo corretto, possiamo progettare modelli di stimolazione più sofisticati che potrebbero essere più efficaci per prevenire le convulsioni o ripristinare la cognizione".