Kourosh Maboudi
Una nuova ricerca ha scoperto che durante il sonno, alcuni neuroni non solo riproducono il passato recente, ma anticipano anche l’esperienza futura
La scoperta fa parte di una serie di approfondimenti forniti da uno studio sul sonno e l'apprendimento pubblicato su Nature (1) da un team di ricercatori della Rice University e della Michigan University. La ricerca offre una visione senza precedenti di come i singoli neuroni nell'ippocampo dei ratti si stabilizzano e sintonizzano le rappresentazioni spaziali durante i periodi di riposo successivi alla prima volta che gli animali corrono in un labirinto.
«Alcuni neuroni si attivano in risposta a stimoli specifici», ha detto il dottor Kamran Diba (2), professore associato di anestesiologia al Michigan e autore corrispondente dello studio. «I neuroni nella corteccia visiva si attivano quando vengono presentati con lo stimolo visivo appropriato. I neuroni che stiamo studiando mostrano preferenze di luogo».
Insieme ai collaboratori del Neural Circuits and Memory Lab del Michigan (3) guidati dal dottor Diba, il dottor Caleb Kemere (4), neuroscienziato della Rice University, ha studiato il processo attraverso il quale questi neuroni specializzati producono una rappresentazione del mondo dopo una nuova esperienza. Nello specifico, i ricercatori hanno tracciato le increspature delle onde acute (5), un modello di attivazione neuronale noto per svolgere un ruolo nel consolidamento di nuovi ricordi e, più recentemente, dimostrato anche di contrassegnare (6) quali parti di una nuova esperienza devono essere archiviate come ricordi.
«Per la prima volta in questo articolo, abbiamo osservato come questi singoli neuroni stabilizzano le rappresentazioni spaziali durante i periodi di riposo», ha affermato Kemere, docente associato di ingegneria elettrica e informatica e bioingegneria alla Rice.
Il sonno è fondamentale per la memoria e l'apprendimento: la scienza ha quantificato questa antica intuizione misurando le prestazioni nei test di memoria dopo un pisolino anziché dopo un periodo di veglia o addirittura di privazione del sonno.
Un paio di decenni fa, gli scienziati hanno anche scoperto che i neuroni (7) nel cervello degli animali addormentati a cui era stato permesso di esplorare un nuovo ambiente appena prima di riposare si attivavano in modo da riprodurre le traiettorie degli animali durante l'esplorazione. Questa scoperta è in linea con la consapevolezza che il sonno aiuta le nuove esperienze a cristallizzarsi in ricordi stabili, suggerendo così che le rappresentazioni spaziali di molti di questi neuroni specializzati nell’ippocampo sono stabili durante il sonno. Tuttavia, i ricercatori volevano vedere se c’era altro nella storia.
«Abbiamo immaginato che alcuni neuroni potessero cambiare le loro rappresentazioni, riflettendo l'esperienza che tutti abbiamo avuto di svegliarci con una nuova comprensione di un problema», ha detto il professor Kemere. «Dimostrare questo, tuttavia, ha richiesto di monitorare il modo in cui i singoli neuroni raggiungono la sintonizzazione spaziale, cioè il processo attraverso il quale il cervello impara a navigare in un nuovo percorso o ambiente».
I ricercatori hanno addestrato i ratti a correre avanti e indietro su una pista rialzata con ricompensa liquida alle due estremità e hanno osservato come i singoli neuroni nell'ippocampo degli animali si “acceleravano” nel processo. Calcolando un tasso medio di picchi su molti giri avanti e indietro, i ricercatori sono stati in grado di stimare il campo di posizionamento dei neuroni, o l'area dell'ambiente a cui un dato neurone “si preoccupava” di più.
«Il punto critico qui è che i campi vengono stimati utilizzando il comportamento dell'animale», ha detto Kemere, sottolineando la sfida di valutare cosa succede ai campi durante i periodi di riposo quando l'animale non si muove fisicamente nel labirinto.
«Ho pensato a lungo a come valutare le preferenze dei neuroni al di fuori del labirinto, ad esempio durante il sonno», ha detto Diba. «Abbiamo affrontato questa sfida mettendo in relazione l’attività di ogni singolo neurone con l’attività di tutti gli altri neuroni».
Questa è stata l'innovazione chiave dello studio: i ricercatori hanno sviluppato un approccio statistico di apprendimento automatico che ha utilizzato gli altri neuroni esaminati per mappare una stima di dove l'animale sognava di essere. Successivamente hanno utilizzato quelle posizioni sognate per stimare il processo di sintonizzazione spaziale per ciascun neurone nei loro set di dati.
«La capacità di tracciare le preferenze dei neuroni anche senza uno stimolo è stata per noi una svolta importante», ha detto Diba.
Sia Diba che Kemere hanno elogiato Kourosh Maboudi, ricercatore post-dottorato presso il Michigan e autore principale dello studio, per il suo ruolo nello sviluppo dell'approccio di sintonizzazione appresa.
Il metodo ha confermato che le rappresentazioni spaziali che si formano durante l’esperienza di un nuovo ambiente sono, per la maggior parte dei neuroni, stabili per diverse ore di sonno post-esperienza. Ma come avevano previsto i ricercatori, c’era di più nella storia.
Il dottor Caleb Kemere aggiunge: «Secondo il mio punto di vista, la cosa più entusiasmante di questa ricerca è rappresentata dalla scoperta che non è necessariamente vera la teoria secondo la quale durante il sonno l'unico meccanismo svolto da questi neuroni è stabilizzare il ricordo dell'esperienza. Si scopre che alcuni neuroni finiscono per fare qualcos’altro. Possiamo vedere questi altri cambiamenti che si verificano durante il sonno e, quando rimettiamo gli animali nell’ambiente una seconda volta, possiamo verificare come questi cambiamenti riflettono davvero qualcosa che è stato appreso mentre gli animali dormivano. È come se la seconda esposizione allo spazio avvenisse effettivamente mentre l’animale dorme».
Ciò è significativo perché costituisce un’osservazione diretta della neuroplasticità come avviene durante il sonno. Secondo il dottor Kemere, quasi tutta la ricerca sulla plasticità, che esamina i meccanismi correlati al ricablaggio e alla formazione di nuove rappresentazioni dei neuroni, si focalizza alle dinamiche provocate durante i periodi di veglia quando vengono presentati gli stimoli piuttosto che durante il sonno quando gli stimoli rilevanti sono assenti.
«Sembra che la plasticità o il ricablaggio del cervello richieda tempi molto rapidi», ha detto Diba, sottolineando l'affascinante relazione tra la durata dell'esperienza reale, «che può occupare l'arco di secondi, minuti ma anche ore o giorni», e ricordi reali, «che sono super compressi».
«Se ricordi qualcosa, il ricordo... è istantaneo», continua Diba, riferendosi a un famoso passaggio letterario dello scrittore modernista francese Marcel Proust (8) in cui un ricordo d'infanzia svela un intero mondo perduto di esperienze passate in un attimo.
Lo studio è un esempio dei progressi nelle neuroscienze consentiti negli ultimi decenni dal progresso tecnologico nella progettazione di sonde neurali stabili e ad alta risoluzione, nonché dalla potenza di calcolo supportata dall’apprendimento automatico.
Alla luce di questi progressi, Kemere ha affermato che la scienza del cervello è pronta a compiere progressi significativi in futuro, esprimendo allo stesso tempo preoccupazione per l'impatto dei recenti tagli di bilancio (9) sulla ricerca continua.
«È del tutto possibile che se non avessimo iniziato questo lavoro oggi, non avremmo di certo effettuato queste sperimentazioni e ottenuto questi risultati. Siamo decisamente grati di questa opportunità», conclude Kemere.
La ricerca è stata supportata dal National Institutes of Health (R01NS115233, R01MH117964). The content in this press release is solely the responsibility of the authors and does not necessarily represent the official views of the NIH. Il contenuto di questo comunicato stampa è di esclusiva responsabilità degli autori e non rappresenta necessariamente il punto di vista ufficiale del NIH.
Situata in un campus boscoso di 300 acri a Houston, la Rice University è costantemente classificata tra le 20 migliori università della nazione da US News & World Report. Rice ha scuole di architettura, economia, studi continui, ingegneria, discipline umanistiche, musica, scienze naturali e scienze sociali molto rispettate ed è sede del Baker Institute for Public Policy. Con 4.574 studenti universitari e 3.982 studenti laureati, il rapporto studenti universitari e docenti della Rice è poco meno di 6 a 1. Il suo sistema universitario residenziale crea comunità affiatate e amicizie durature, solo uno dei motivi per cui la Rice è classificata al primo posto per molte interazioni razza/classe, al secondo posto per i college meglio gestiti e al dodicesimo per la qualità della vita secondo la Princeton University. Revisione. Rice è anche valutato come il miglior valore tra le università private da Personal Finance di Kiplinger.
Riferimenti:
(1) Retuning of hippocampal representations during sleep
(2) Kamran Diba
(3) Neural Circuits and Memory Lab – University of Michigan
(4) Caleb Kemere
(5) Electric ‘Ripples’ in the Resting Brain Tag Memories for Storage
(6) Long-duration hippocampal sharp wave ripples improve memory
(7) Memory of Sequential Experience in the Hippocampus during Slow Wave Sleep
(8) Marcel Proust
(9) From the BRAIN Director: Funding neuroscience in an uncertain budget climate
Descrizione foto: I ricercatori Kourosh Maboudi, Kamran Diba e Caleb Kemere. - Credit: Foto per gentile concessione di Kamran Diba & Gustavo Raskoksy/Rice University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: In the brain at rest, neurons rehearse future experience