Ricerche

Il cervello mappa costantemente il mondo esterno come un GPS, anche quando non lo sappiamo. Questa attività si presenta sotto forma di piccoli segnali elettrici inviati tra i neuroni, le cellule specializzate che comunicano tra loro per aiutarci a pensare, muoverci, ricordare e sentire. Questi segnali spesso seguono modelli ritmici chiamati 'onde cerebrali', dalle theta più lente alle gamma più veloci, che aiutano a organizzare il modo in cui il cervello elabora le informazioni.

Comprendere come i singoli neuroni rispondono a questi ritmi è la chiave per sbloccare il modo in cui funziona il cervello in termini di navigazione in tempo reale e come può essere influenzato dalla malattia. Un nuovo studio eseguito alla Florida Atlantic University di Boca Raton (Florida) e da collaboratori del Centro Medico Erasmus di Rotterdam (Olanda) e dell'Università di Amsterdam, ha scoperto una sorprendente capacità delle cellule cerebrali nell'ippocampo di elaborare, codificare e rispondere alle informazioni provenienti contemporaneamente da diversi ritmi cerebrali.

La ricerca, pubblicata in PLOS Computational Biology, rivela come un singolo neurone può passare tra picchi singoli e raffiche rapide a seconda delle sue proprietà interne e dell'attività elettrica continua del cervello, un fenomeno che i ricercatori hanno definito 'interleaved resonance' (risonanza interlacciata). Questa scoperta offre una nuova comprensione di come il cervello organizza pensieri per navigare, ricordare e comportarsi e può avere importanti implicazioni per le condizioni neurologiche implicate nella memoria spaziale e nell'apprendimento come epilessia, Alzheimer e schizofrenia.

Lo studio si è concentrato sui neuroni piramidali CA1, un tipo di cellula cerebrale cruciale per la formazione della memoria e per la navigazione spaziale, come capire dove siamo e come arrivare da un posto all'altro. Queste cellule comunicano sparando impulsi elettrici, sia come singoli picchi isolati che come raffiche rapide. Ogni modalità di sparo porta tipi diversi di informazioni ed è associata a contesti comportamentali specifici. Fino ad ora, erano poco chiari i fattori che determinano quando e come questi neuroni passano tra le varie modalità.

Attraverso la modellazione computazionale avanzata e scansioni dell'attività cerebrale reale con coloranti sensibili alla tensione, i ricercatori hanno dimostrato che i neuroni possono rispondere sia agli stimoli di onde cerebrali theta (lente) che gamma (veloci) allo stesso tempo, ma in modi diversi. Il risultato è una forma di doppia codifica, in cui un neurone usa le raffiche per risuonare con le onde theta e i singoli picchi per risuonare con le onde gamma, entrambe incorporate contemporaneamente nello stesso segnale elettrico.

"I nostri modelli mostrano che un singolo neurone può comportarsi come una radio multi-banda, sintonizzandosi a diverse frequenze e cambiando il suo comportamento di conseguenza", ha affermato Rodrigo Pena PhD, autore senior, assistente professore di scienze biologiche. "È un sistema molto più flessibile e potente di quanto si immaginava finora".

Il team ha scoperto che questo comportamento è influenzato dalle impostazioni interne del neurone, in particolare, i livelli di tre correnti guidate da ioni: sodio persistente, raddrizzatore ritardato di potassio e corrente attivata dall'iperpolarizzazione. Regolando queste conduttanze interne, i neuroni possono spostare le loro preferenze di risonanza tra le onde theta e gamma e tra sparo singolo e a raffica. Inoltre, i neuroni avevano maggiori probabilità di sparare raffiche dopo lunghi periodi silenziosi, introducendo un elemento dipendente dal tempo su come le informazioni sono codificate.

"Questa capacità di 'codice doppio' offre una nuova prospettiva su come il cervello organizza e trasferisce in modo efficiente informazioni e potrebbe avere ampie implicazioni per le condizioni neurologiche in cui i ritmi cerebrali sono interrotti", ha affermato Pena. "Se i neuroni non sparano o sono incapaci di passare da singoli picchi a raffiche in modo appropriato, ciò potrebbe interferire con il modo in cui si formano i ricordi o come è diretta l'attenzione. Se comprendiamo come i neuroni si adattano naturalmente a diversi ritmi cerebrali, allora possiamo iniziare a pensare a come ripristinare quella flessibilità in condizioni in cui è persa".

I risultati hanno anche fatto luce su domande di lunga data nelle neuroscienze, incluso come si forma la memoria spaziale nell'ippocampo, e sottolineano la complessità e l'adattabilità del cervello. Ricerche precedenti avevano dimostrato che i ritmi theta e gamma influenzano quando e come i neuroni sparano mentre un animale si muove nello spazio. Questo nuovo lavoro mostra che i neuroni non sono bloccati in una modalità di sparo, ma possono cambiare dinamicamente la loro risposta a seconda dello stimolo esterno e del loro ambiente elettrico interno. In altre parole, un singolo neurone non si limita a inviare solo un tipo di segnale, può gestire più livelli di informazioni a seconda del contesto.

"I blocchi di costruzione del cervello sono molto più dinamici di quanto si pensava", ha detto Pena. "Un neurone può seguire contemporaneamente diversi ritmi cerebrali, adattando i suoi schemi di sparo per soddisfare le esigenze del momento. Questa scoperta non solo fa avanzare la nostra comprensione di come funziona il cervello, ma un giorno potrebbe aiutare a guidare i trattamenti volti a ripristinare la funzione neurale sana quando le cose vanno male".