Ricerche

Nuove ricerche forniscono le prove del fatto che i campi elettrici condivisi tra i neuroni tramite 'accoppiamento efaptico' forniscono il coordinamento necessario per assemblare gli insiemi neurali multi-regioni ('engrammi') che rappresentano informazioni ricordate.

Fonte: Picower Institute / MIT

La metafora 'circuito' del cervello è tanto indiscutibile quanto familiare: i neuroni forgiano connessioni fisiche dirette per creare reti funzionali, ad esempio per archiviare ricordi o produrre pensieri. Ma la metafora è anche incompleta. Cosa spinge questi circuiti e reti a riunirsi? Nuove prove suggeriscono che almeno parte di questo coordinamento proviene da campi elettrici.

Il nuovo studio sulla corteccia cerebrale mostra che, mentre gli animali testati facevano giochi per la memoria di lavoro, le informazioni su ciò che stavano ricordando erano coordinate in due regioni cerebrali cruciali dal campo elettrico emerso dall'attività elettrica sottostante di tutti i neuroni partecipanti. Il campo, a sua volta, sembrava guidare l'attività neurale o le fluttuazioni apparenti della tensione nelle membrane cellulari.

Se i neuroni fossero musicisti in un'orchestra, le regioni del cervello sarebbero le loro sezioni e la memoria sarebbe la musica che producono, hanno detto gli autori dello studio, quindi il campo elettrico è il direttore dell'orchestra. Il meccanismo fisico con cui questo campo elettrico prevalente influenza la tensione di membrana dei neuroni costituenti è chiamato 'accoppiamento efaptico'.

Quelle tensioni di membrana sono fondamentali per l'attività cerebrale. Quando passano una soglia, i neuroni 'sparano', inviando una trasmissione elettrica che segnala ad altri neuroni attraverso connessioni chiamate sinapsi. Ma qualsiasi entità di attività elettrica potrebbe contribuire a un campo elettrico prevalente che influenza anche lo sparo, ha affermato l'autore senior dello studio Earl K. Miller, professore nel Dipartimento di Scienze Cerebrali e Cognitive del MIT.

"Molti neuroni corticali trascorrono tanto tempo vacillando sul punto di sparare", ha detto Miller. “I cambiamenti nel campo elettrico circostante possono spingerli verso un senso o nell'altro. È difficile immaginare che l'evoluzione non sfruttasse ciò".

In particolare, il nuovo studio ha dimostrato che i campi elettrici guidavano l'attività elettrica delle reti di neuroni per produrre una rappresentazione condivisa delle informazioni memorizzate nella memoria di lavoro, ha affermato l'autore principale Dimitris Pinotsis, professore associato della City-University of London e ricercatore del Picower Institute. Egli ha osservato che i risultati potrebbero migliorare la capacità di scienziati e ingegneri di leggere informazioni dal cervello, e magari aiutare a progettare protesi controllate dal cervello per le persone con paralisi.

"Con la teoria dei sistemi complessi e calcoli matematici manuali, abbiamo previsto che i campi elettrici del cervello guidano i neuroni per produrre ricordi", ha affermato Pinotsis. “I nostri dati sperimentali e le analisi statistiche supportano questa previsione. Questo è un esempio di come la matematica e la fisica fanno luce sui campi del cervello e su come possano produrre approfondimenti per la costruzione di dispositivi BCI (Brain Computer Interface)".

I campi prevalgono

In uno studio del 2022, Miller e Pinotsis avevano sviluppato un modello biofisico dei campi elettrici prodotti dall'attività elettrica neurale. Hanno dimostrato che i campi complessivi emersi da gruppi di neuroni in una regione del cervello erano rappresentazioni più affidabili e stabili delle informazioni usate dagli animali testati su giochi della memoria di lavoro, rispetto all'attività elettrica dei singoli neuroni.

I neuroni sono dispositivi in qualche modo volubili i cui capricci producono un'incoerenza delle informazioni chiamata 'deriva rappresentativa'. In un articolo di opinione dell'inizio di quest'anno, gli scienziati hanno ipotizzato che, oltre ai neuroni, i campi elettrici influenzano anche l'infrastruttura molecolare del cervello e la sua messa a punto, in modo che il cervello elabori in modo efficiente le informazioni.

Nel nuovo studio, Pinotsis e Miller hanno esteso la loro indagine chiedendosi se l'accoppiamento efaptico diffonda il campo elettrico di governo su più regioni cerebrali per formare una rete di memoria o 'engramma'. Hanno quindi ampliato le loro analisi per esaminare due regioni nel cervello: i campi oculari frontali (FEF, frontal eye fields) e i campi oculari supplementari (SEF, supplementary eye fields).

Queste due regioni, che governano il movimento volontario degli occhi, erano rilevanti per il gioco sulla memoria di lavoro che gli animali stavano facendo, perché a ogni giro gli animali vedevano un'immagine su uno schermo posizionato ad un certo punto intorno al centro (come i numeri su un orologio). Dopo un breve ritardo, dovevano dare un'occhiata nella stessa direzione in cui era appena stato l'oggetto.

Mentre gli animali giocavano, gli scienziati registravano i potenziali del campo locale (LFP, una misura dell'attività elettrica locale) prodotti dai risultati dei neuroni in ciascuna regione. Gli scienziati hanno alimentato questi dati LFP registrati su modelli matematici che prevedevano l'attività neurale individuale e i campi elettrici complessivi.

I modelli hanno permesso quindi a Pinotsis e Miller di calcolare se le modifiche nei campi potevano prevedere le variazioni nelle tensioni della membrana o se le variazioni di tale attività  prevedevano le variazioni nei campi. Per fare questa analisi, hanno usato un metodo matematico chiamato Granger Causality. Questa analisi ha mostrato in modo inequivocabile che in ciascuna regione i campi avevano una forte influenza causale sull'attività neurale e non viceversa. Coerentemente con lo studio dell'anno scorso, l'analisi ha anche mostrato che le misure della forza di influenza sono rimaste molto più stabili per i campi che per l'attività neurale, indicando che i campi erano più affidabili.

I ricercatori hanno quindi controllato la causalità tra le due regioni cerebrali e hanno scoperto che i campi elettrici, ma non l'attività neurale, rappresentavano in modo affidabile il trasferimento di informazioni tra FEF e SEF. Più specificamente, hanno scoperto che il trasferimento in genere scorreva da FEF a SEF, che concorda con studi precedenti su come interagiscono le due regioni. I FEF tendono ad aprire la strada all'inizio di un movimento degli occhi.

Infine, Pinotsis e Miller hanno usato un'altra tecnica matematica chiamata 'analisi di somiglianza di rappresentazione' per determinare se le due regioni stavano, in effetti, elaborando la stessa memoria. Hanno scoperto che i campi elettrici, ma non gli LFP o l'attività neurale, rappresentavano le stesse informazioni in entrambe le regioni, unificandole in una rete di memoria engramma.

Ulteriori implicazioni cliniche

Considerando le prove che i campi elettrici emergono dall'attività elettrica neurale, ma poi arrivano a guidare l'attività neurale per rappresentare le informazioni, Miller ha ipotizzato che forse una funzione dell'attività elettrica dei singoli neuroni è produrre i campi che li governano.

"È una strada a due vie", ha detto Miller. “Lo sparo e le sinapsi sono molto importanti. Questa è la base. Ma poi i campi reagiscono e influenzano lo sparo".

Ciò potrebbe avere importanti implicazioni per i trattamenti per la salute mentale, ha detto, perché il se e il quando i neuroni sparano, influenza la forza delle loro connessioni e quindi la funzione dei circuiti che formano, un fenomeno chiamato plasticità sinaptica.

Le tecnologie cliniche come la stimolazione elettrica transcranica (TES) alterano i campi elettrici cerebrali, ha osservato Miller. Se i campi elettrici non riflettono solo l'attività neurale ma la modellano attivamente, allora potremmo usare le tecnologie TES per alterare i circuiti. Le manipolazioni del campo elettrico adeguatamente delineato, ha detto, potrebbero un giorno aiutare i pazienti a ri-cablare i circuiti difettosi.