Ricerche

Ricercatori del Salk hanno scoperto che le reti neurali responsabili della percezione spaziale cambiano in modo non lineare e possono avere implicazioni per i disturbi neurodegenerativi come l'Alzheimer.

I bambini piccoli a volte credono che la luna li stia seguendo o che possono raggiungerla e toccarla. Sembra essere molto più vicina di quanto sia proporzionale alla sua reale distanza. Mentre ci muoviamo nella nostra vita quotidiana, tendiamo a pensare che navighiamo in modo lineare. Ma gli scienziati del Salk hanno scoperto che il tempo trascorso a esplorare un ambiente fa crescere in modi sorprendenti le rappresentazioni neurali.

I risultati, pubblicati su Nature Neuroscience, mostrano che i neuroni dell'ippocampo essenziali per la navigazione spaziale, la memoria e la pianificazione, rappresentano lo spazio in un modo conforme a una geometria iperbolica non lineare, una distesa tridimensionale che cresce verso l'esterno. In altre parole, ha la forma dell'interno di una clessidra in espansione.

I ricercatori hanno anche scoperto che la dimensione di quello spazio cresce con il tempo trascorso in un posto. E la dimensione aumenta in un modo logaritmico che corrisponde al massimo aumento possibile delle informazioni elaborate dal cervello.

Questa scoperta fornisce metodi preziosi per analizzare i dati sui disturbi neurocognitivi che coinvolgono l'apprendimento e la memoria, come la malattia di Alzheimer. Tatyana Sharpee, prof.ssa docente del Salk, che ha guidato lo studio, afferma:

“Il nostro studio dimostra che il cervello non agisce sempre in modo lineare. Al contrario, le reti neurali funzionano lungo una curva in espansione, che può essere analizzata e compresa usando la geometria iperbolica e la teoria dell'informazione.

“È entusiasmante vedere che le risposte neurali in quest'area del cervello hanno formato una mappa che si è ampliata con l'esperienza in base al tempo dedicato a un determinato luogo. L'effetto è rimasto persino per minuscole deviazioni nel tempo in cui l'animale correva più lentamente o più velocemente nell'ambiente".

Il laboratorio della Sharpee usa approcci computazionali avanzati per comprendere meglio come funziona il cervello. Di recente hanno aperto la strada all'uso della geometria iperbolica per comprendere meglio i segnali biologici come le molecole dell'odore, nonché la sua percezione.

Nel presente studio, gli scienziati hanno scoperto che la geometria iperbolica guida anche le risposte neurali. Le mappe iperboliche delle molecole e degli eventi sensoriali sono percepite con mappe neurali iperboliche. Le rappresentazioni spaziali si sono ampliate dinamicamente in correlazione con il tempo trascorso dal ratto a esplorare ciascun ambiente. E, quando un ratto si è spostato più lentamente nell'ambiente, ha tratto più informazioni sullo spazio, facendo crescere ancora di più le rappresentazioni neurali.

"I risultati forniscono una nuova prospettiva su come l'esperienza può modificare le rappresentazioni neurali", afferma il primo autore Huanqiu Zhang, ricercatore nel laboratorio della Sharpee. "I principi geometrici identificati nel nostro studio possono anche guidare gli sforzi futuri per capire l'attività neurale in vari sistemi cerebrali".

"Si potrebbe pensare che la geometria iperbolica si applica solo su scala cosmica, ma non è vero", afferma la Sharpee. “Il nostro cervello funziona molto più lentamente della velocità della luce, una possibile ragione per cui si osservano effetti iperbolici su spazi afferrabili anziché su quelli astronomici. Per il seguito  [dello studio], vorremmo capire di più come crescono, interagiscono e comunicano tra loro queste rappresentazioni iperboliche dinamiche nel cervello".