Ricerche

Ricercatori dell'UCLA affermano che i risultati potrebbero avere implicazioni per migliorare la memoria, le funzioni cognitive e l'intelligenza artificiale

Image by jigsawstocker on Freepik.com

Uno studio di riferimento condotto all'Università della California di Los Angeles e pubblicato su Nature, ha iniziato a svelare uno dei misteri fondamentali delle neuroscienze: come il cervello umano codifica e dà un senso al flusso di tempo ed esperienze.

Lo studio ha registrato l'attività di singoli neuroni direttamente nell'uomo e ha trovato tipi specifici di cellule cerebrali che sparavano in modo tale da rispecchiare in gran parte l'ordine e la struttura dell'esperienza di una persona. Hanno scoperto che il cervello mantiene questi schemi unici di sparo dopo che l'esperienza è conclusa e può riprodurli rapidamente durante il riposo.

Inoltre, il cervello è anche in grado di usare questi schemi appresi per prepararsi a stimoli futuri a seguito di quell'esperienza. Questi risultati forniscono le prime prove empiriche del modo in cui cellule cerebrali specifiche integrano le informazioni 'cosa' e 'quando' per estrarre e trattenere la rappresentazione delle esperienze nel tempo.

L'autore senior dello studio, dott. Itzhak Fried, direttore di chirurgia dell'epilessia all'UCLA Health e professore di neurochirurgia, psichiatria e scienze biocomportamentali all'UCLA, ha affermato che i risultati potrebbero servire nello sviluppo di dispositivi neuro-protesici per migliorare la memoria e altre funzioni cognitive, e possono avere implicazioni nella comprensione della cognizione del cervello umano da parte dell'intelligenza artificiale:

"Riconoscere i modelli dalle esperienze nel tempo è cruciale per il cervello umano per formare memoria, prevedere potenziali esiti futuri e guidare i comportamenti. Ma il modo in cui questo processo si realizza nel cervello a livello cellulare era ancora sconosciuto ... almeno finora".

Ricerche precedenti, comprese quelle del dottr. Fried, avevano usato registrazioni cerebrali e neuroscansioni per capire come il cervello elabora la navigazione spaziale, mostrando in modelli animali e umani i ruoli cruciali di due regioni del cervello, l'ippocampo e la corteccia entorinale. Le due regioni cerebrali, entrambe importanti nelle funzioni di memoria, interagiscono per creare una 'mappa cognitiva'. I neuroni dell'ippocampo agiscono come 'cellule di posizione', che mostrano quando un animale si trova in una posizione specifica, come segnare una 'X' su una mappa, mentre i neuroni entorinali agiscono come 'cellule di griglia' per fornire una metrica della distanza spaziale.

Ulteriori studi hanno trovato che azioni neurali simili rappresentano esperienze non spaziali come tempo, frequenza sonora e caratteristiche degli oggetti. Una scoperta fondamentale da parte di Fried e dei suoi colleghi è stata quella delle 'cellule concettuali' nell'ippocampo umano e nella corteccia entorinale che rispondono a particolari individui, luoghi o oggetti distinti e sembrano fondamentali per la nostra capacità di memoria.

Per esaminare l'elaborazione cerebrale degli eventi nel tempo, lo studio dell'UCLA ha reclutato 17 partecipanti con epilessia intrattabile, che in precedenza avevano avuto l'impianto di elettrodi in profondità nel cervello per un trattamento clinico. I ricercatori hanno registrato l'attività neurale dei partecipanti durante una procedura complessa che coinvolgeva compiti comportamentali, riconoscimento di schemi e sequenziamento di immagini.

I partecipanti si sono sottoposti a una selezione iniziale durante la quale sono stati ripetutamente mostrati su un computer per circa 40 minuti circa 120 immagini di persone, animali, oggetti e punti di riferimento. A loro è stato poi chiesto di svolgere vari compiti, come determinare se l'immagine era di una persona o no. Le immagini, di cose come attori famosi, musicisti e luoghi, sono state selezionate in parte in base alle preferenze di ciascun partecipante.

In seguito, i partecipanti si sono impegnati in un esperimento trifase in cui hanno svolto compiti comportamentali in risposta a immagini mostrate arbitrariamente su diverse posizioni di un grafico a forma di piramide. Per ciascun partecipante sono state selezionate 6 immagini. Nella prima fase, le immagini sono state visualizzate in un ordine pseudo-casuale, nella successiva l'ordine di immagini era determinato dalla posizione sul grafico piramidale. La fase finale era identica alla prima. Mentre guardavano queste immagini, ai partecipanti è stato chiesto di svolgere vari compiti comportamentali non correlati al posizionamento delle immagini sul grafico piramidale, come determinare se l'immagine mostrava un maschio o una femmina o se una determinata immagine era specchiata rispetto alla precedente.

Nelle loro analisi, Fried e i suoi colleghi hanno scoperto che i neuroni ippocampali-entorinali hanno gradualmente iniziato a modificare e allineare strettamente la loro attività al sequenziamento delle immagini sui grafici piramidali. Questi schemi si sono formati in modo naturale e senza istruzioni dirette ai partecipanti, secondo Fried. Inoltre, i modelli neuronali riflettevano la probabilità di stimoli imminenti e mantenevano i modelli codificati anche dopo il completamento dell'attività.

I primi autori dello studio sono Pawel Tacikowski, Guldamla Kalendar e Davide Ciliberti.

"Questo studio ci mostra per la prima volta che il cervello usa meccanismi analoghi per rappresentare informazioni di tipo apparentemente molto diverso: spazio e tempo", ha detto Fried. "Abbiamo dimostrato a livello neuronale che queste rappresentazioni delle traiettorie degli oggetti nel tempo sono incorporate dal sistema ippocampo-entorinale umano".