Ricerche

Il cervello impara attraverso i cambiamenti nella forza delle sue sinapsi - le connessioni tra i neuroni - in risposta a stimoli.

Ora, in una scoperta che sfida la saggezza convenzionale sui meccanismi cerebrali dell'apprendimento, neuro-fisici dell'UCLA hanno trovato che c'è un "ritmo" ottimale, o frequenza, del cervello, che cambia la forza sinaptica.

E ancora, come le stazioni su una radio, ogni sinapsi è sintonizzata su una frequenza ottimale diversa per l'apprendimento. I risultati, che forniscono una grande teoria unificata sui meccanismi che sono alla base dell'apprendimento del cervello, può portare a possibili nuove terapie per il trattamento delle disabilità di apprendimento.

Lo studio compare nel numero corrente della rivista Frontiers in Computational Neuroscience. "Molte persone hanno disturbi della memoria e dell'apprendimento e, a parte quel gruppo, la maggior parte di noi non sono Einstein o Mozart", ha detto Mayank R. Mehta, autore senior dello studio e professore associato nei reparti UCLA di neurologia, neurobiologia, fisica e astronomia. "Il nostro lavoro suggerisce che alcuni problemi con l'apprendimento e la memoria sono causati da sinapsi non sintonizzate sulla frequenza giusta".

Un cambiamento nella forza di una sinapsi in risposta a stimoli - noto come plasticità sinaptica - è indotta attraverso i cosiddetti "treni di impulsi", serie di segnali neuronali che si verificano con frequenza e tempistica variabile. Esperimenti precedenti hanno dimostrato che i neuroni che si stimolano ad una frequenza molto elevata (per esempio, 100 picchi al secondo) rafforzano la sinapsi di collegamento, mentre stimolazione a bassa frequenza (ad esempio, un picco al secondo) riduce la forza sinaptica.

Questi esperimenti precedenti usavano centinaia di picchi consecutivi nella gamma di frequenza molto elevata per indurre la plasticità. Eppure, quando il cervello è attivo durante le attività comportamentali nella vita reale, i neuroni provocano solo circa 10 picchi consecutivi, non centinaia. E lo fanno con una frequenza molto più bassa - tipicamente nella gamma di 50 picchi al secondo. In altre parole, ha detto Mehta, la "frequenza di picco si riferisce a quanto veloci avvengono i picchi. Dieci picchi potrebbero essere provocati ad una frequenza di 100 picchi al secondo o ad una frequenza di un picco al secondo".

Fino ad oggi, i ricercatori erano in grado di condurre esperimenti che simulavano livelli più naturali. Ma Mehta e il co-autore Arvind Kumar, un ex collega di postdottorato del suo laboratorio, sono riusciti a ottenere queste misurazioni per la prima volta utilizzando un sofisticato modello matematico che hanno sviluppato e validato con dati sperimentali. Contrariamente a quanto precedentemente supposto, Mehta e Kumar hanno scoperto che quando si tratta di stimolare le sinapsi con modelli di picchi naturali, la stimolazione dei neuroni a frequenze più alte non era il modo migliore per aumentare la forza sinaptica.

Quando, per esempio, una sinapsi è stimolata con solo 10 picchi ad una frequenza di 30 picchi al secondo, induce un aumento di gran lunga maggiore nella forza di quanto si stimola la sinapsi con 10 picchi a 100 volte al secondo. "L'aspettativa, sulla base di studi precedenti, era che se si ha guidato la sinapsi ad una frequenza più alta, l'effetto sul potenziamento sinaptico, o di apprendimento, sarebbe almeno altrettanto buono come, se non meglio, della frequenza naturale più bassa" ha detto Mehta. "Con nostra sorpresa, abbiamo scoperto che al di là della frequenza ottimale, il rafforzamento sinaptico diminuisce effettivamente quando le frequenze diventano più elevate".

Conoscere che una sinapsi ha una frequenza massima preferita per l'apprendimento ha portato i ricercatori di confrontare le frequenze ottimali in base alla posizione della sinapsi in un neurone. I neuroni sono a forma di alberi, con il nucleo che è la base dell'albero, i dendriti assomigliano a rami estesi e le sinapsi che assomigliano alle foglie su quei rami. Quando Mehta e Kumar hanno confrontato l'apprendimento sinaptico in base a dove si trovavano le sinapsi sui rami dendritici, hanno trovato qualcosa di significativo: la frequenza ottimale per indurre l'apprendimento sinaptico cambia a seconda di dove si trovava la sinapsi. Più è lontana la sinapsi dal corpo cellulare del neurone, maggiore è la frequenza ottimale.

"Incredibilmente, quando si tratta di apprendimento, il neurone si comporta come un'antenna gigante, con diversi rami dei dendriti sintonizzati su frequenze diverse per l'apprendimento massimo", ha affermato Mehta. I ricercatori hanno scoperto che non solo ogni sinapsi ha una frequenza preferita per raggiungere un apprendimento ottimale, ma per l'effetto migliore, la frequenza deve essere perfettamente ritmica - a tempo ad intervalli esatti. Anche alla frequenza ottimale, se il ritmo è sbagliato, l'apprendimento sinaptico è sostanzialmente minore.

La loro ricerca ha anche mostrato che una volta che una sinapsi apprende, cambia la sua frequenza ottimale. In altre parole, se la frequenza ottimale per una sinapsi ingenua (una che non ha imparato ancora nulla) è, diciamo, 30 picchi al secondo, dopo aver appreso, quella stessa sinapsi imparerà in modo ottimale ad una frequenza inferiore, diciamo 24 picchi al secondo. Quindi, l'apprendimento cambia la frequenza ottimale di una sinapsi.

I ricercatori hanno detto che questo processo di "de-sintonizzazione", indotto dall'apprendimento, ha importanti implicazioni per il trattamento di disturbi legati al dimenticare, come il disturbo da stress post-traumatico. Anche se è richiesta molta più ricerca, i risultati evidenziano la possibilità che potrebbero essere sviluppati farmaci per "ri-sintonizzare" i ritmi del cervello delle persone con disturbi di apprendimento o di memoria, o che molti più di noi potrebbe diventare Einstein o Mozart, se il ritmo ottimale del cervello fosse implementato per ogni sinapsi. "Sappiamo che ci sono già farmaci e stimoli elettrici che possono alterare i ritmi del cervello", ha affermato Mehta. "Le nostre scoperte suggeriscono che siamo in grado di utilizzare questi strumenti per fornire il ritmo ottimale nel cervello a connessioni mirate per migliorare l'apprendimento".

Il finanziamento dello studio è stato fornito dal National Science Foundation, dai National Institutes of Health, dalla Fondazione Whitehall, e dal WM Keck Foundation.

Fonte: Materiale della University of California - Los Angeles.

Riferimento: Arvind Kumar, Mayank R. Mehta. Frequency-Dependent Changes in NMDAR-Dependent Synaptic Plasticity. Frontiers in Computational Neuroscience, 2011; 5 DOI: 10.3389/fncom.2011.00038.

Pubblicato in ScienceDaily il 3 Ottobre 2011 - Traduzione di Franco Pellizzari.

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