Le fluttuazioni di attività correlate nella neocorteccia del cervello influenzano le risposte sensoriali e il comportamento
Le correlazioni neurali riflettono la connettività anatomica ma cambiano anche dinamicamente con stati cognitivi come l'attenzione. Tuttavia, i meccanismi di rete che definiscono la struttura della popolazione delle correlazioni rimangono sconosciuti. Durante il sonno, l'intero cervello rotola attraverso lunghe e lente onde di attività elettrica, come le onde di un oceano calmo. I ricercatori chiamano quello stato di coscienza “sonno a onde lente”. Il risveglio cambia lo schema dell'attività elettrica in qualcosa che assomiglia più a un rumore casuale.
Tuttavia, la dottoressa Tatiana Engel, (1) professoressa assistente del Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL), il collega post-dottorato Yianling Shi (2) e i loro collaboratori hanno scoperto che ci sono schemi nel rumore. Osservando la regione di elaborazione visiva del cervello di una scimmia, hanno scoperto versioni più piccole, più veloci e più localizzate delle grandi onde del sonno. Le forme e la dinamica di queste onde locali si riferiscono a quanto sia attenta quella parte del cervello. I ricercatori, nel loro studio pubblicato su Nature Communications (3) ritengono che i modelli d'onda forniscano un indizio importante per comprendere il sonno, l'anestesia e l'attenzione.
La parte del cervello coinvolta nell'elaborazione visiva (la corteccia visiva) è come uno schermo televisivo che crea un'immagine da una raccolta di punti o “pixel”. Ogni pixel del cervello è composto da una colonna piena di neuroni che agiscono insieme. Le colonne non stimolate oscillano tra l'essere elettricamente attive e sensibili agli stimoli (“Acceso”) o l'essere inattive e resistenti all'attività elettrica (“Spento”). Se l'informazione visiva (uno stimolo) colpisce una colonna visiva che è “On”, l'informazione viene registrata come un grande picco elettrico. Ma se le informazioni visive colpiscono una colonna quando è “Off”, potrebbe non essere affatto registrata.
Engel e Shi, in collaborazione con i professori della Stanford University Kwabena Boahen e Tirin Moore, e l'assistente del professor Nicholas A. Steinmetz dell'Università di Washington, hanno scoperto che quando le scimmie prestano attenzione a uno stimolo, le onde diventano più corte e più mosse. Gli stati “On” e “Off” lampeggiano attraverso le colonne della corteccia visiva guidate da questo stimolo più rapidamente e in un'area più piccola rispetto a quando l'attenzione dell'animale è altrove.
Ma perché un cervello sveglio e attento dovrebbe voler scorrere le sue colonne e perdere informazioni? Engel ha alcune ipotesi. Dice, «mantenere i neuroni sempre nello stato “On” è energeticamente costoso. Un altro motivo è che se fossimo sempre ricettivi alle informazioni, potremmo essere sopraffatti; lo stato “Off” potrebbe aiutare a sopprimere le informazioni irrilevanti».
La scoperta che il rumore elettrico cambia i modelli con diversi stati cerebrali potrebbe aiutare i ricercatori a comprendere le risposte del cervello a farmaci e malattie. E poiché i cervelli dei primati sono molto bravi nell'elaborazione delle informazioni visive, i ricercatori dell'apprendimento automatico potrebbero prendere in prestito i suoi trucchi del rumore abilmente strutturati per migliorare i cervelli artificiali.
Riferimenti:
(1) Tatiana Engel
(2) Yianling Shi
Descrizione foto: Gran parte dell'attività elettrica nel cervello sembra rumore e non è associata a reazioni a stimoli particolari. Gli scienziati hanno scoperto che c'era una struttura nel rumore che poteva rivelare lo stato di attenzione nel cervello. In questo modello di attività cerebrale nella corteccia visiva della scimmia, l'attività elettrica complessiva è stata misurata nel tempo in ogni piccola area. Le aree gialle e arancioni hanno un'attività elevata e le aree blu hanno un'attività bassa, corrispondenti agli stati “On” e “Off” per un insieme di neuroni. I ricercatori hanno mostrato immagini di una scimmia attraverso il suo intero campo visivo, ma come la maggior parte di noi, l'animale ha prestato attenzione (frequentato) solo a una piccola parte di quel campo. Quando i ricercatori hanno guardato da vicino, hanno potuto vedere onde di attività passare sull'intera corteccia visiva. - Credit: Yan-Liang Shi/Engel lab/CSHL, 2022.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Finding structure in the brain’s static