Ricerche

Il nostro cervello ha miliardi di neuroni raggruppati in diverse aree. Queste regioni lavorano spesso da sole, ma a volte devono unire le forze. Come fanno le diverse aree a comunicare in modo selettivo? Ricercatori della Stanford potrebbero aver risolto l'enigma.

Le diverse regioni del cervello spesso lavorano in modo indipendente, affidandosi al lavoro dei neuroni all'interno di quell'area. Altre volte, invece, due regioni devono collaborare per eseguire il compito specifico.

L'enigma è questo: quale meccanismo permette a due regioni del cervello di comunicare quando hanno bisogno di collaborare, ma di evitare di interferire l'una con l'altra quando devono lavorare da sole? In un articolo pubblicato oggi su Nature Neuroscience, un team guidato da Krishna Shenoy, professore di ingegneria elettrica della Stanford, svela un processo precedentemente sconosciuto che aiuta le due regioni del cervello a cooperare quando è necessaria un'azione comune per eseguire un compito.

"Questo è uno dei primi meccanismi riferiti in letteratura che permettono a aree del cervello di elaborare le informazioni continuamente, ma di comunicare solo quello che è necessario", ha detto Matthew T. Kaufman, postdottorato del laboratorio di Shenoy al momento di eseguire lo studio. Kaufman aveva progettato inizialmente i suoi esperimenti per studiare come la preparazione aiuta il cervello a compiere movimenti veloci e precisi, nell'ambito del lavoro a cui è preposto il laboratorio di Shenoy: costruire dispositivi protesici controllati dal cervello.

Ma i ricercatori di Stanford hanno usato un nuovo approccio per esaminare i dati che hanno prodotto alcuni risultati molto al di là dei movimenti del braccio. Il laboratorio di Shenoy è pioniere nell'analizzare come un gran numero di neuroni funzionano come una unità. Nell'applicare queste nuove tecniche allo studio dei movimenti delle braccia, i ricercatori hanno scoperto un modo in cui le diverse aree del cervello tengono i risultati localizzati oppure diffondono i segnali per coinvolgere altre regioni, se necessario.

"I nostri neuroni sono sempre attivi e connessi", ha spiegato Kaufman, che ora sta portando avanti la ricerca sul cervello al «Cold Spring Harbor Laboratory» di New York. "Quindi è importante controllare quali segnali sono trasmessi da una zona all'altra".

Progetto dell'esperimento

Gli scienziati hanno ottenuto le loro scoperte studiando le scimmie addestrate a fare movimenti precisi del braccio. Le scimmie sono state istruite a fare una breve pausa prima di effettuare la presa, permettendo così al loro cervello di prepararsi un istante prima di muoversi. Ricordiamo che l'obiettivo era aiutare a costruire protesi controllate dal cervello.

Poiché i neuroni nel cervello stanno sempre inviando segnali, gli ingegneri devono riuscire a differenziare il comando per agire dai segnali che accompagnano la preparazione. Per capire come questo funziona con il braccio della scimmia, gli scienziati hanno letto i dati elettrici di tre punti durante gli esperimenti: dei muscoli del braccio, e di ciascuna delle due regioni corticali motorie nel cervello conosciute per controllare i movimenti del braccio. Le letture muscolari hanno consentito agli scienziati di stabilire quali tipi di segnali riceve il braccio durante lo stato di preparazione rispetto alla fase di azione.

Le letture cerebrali erano più complesse. Due regioni controllano i movimenti del braccio, si trovano vicino al centro superiore del cervello, un centimetro di lato. Ciascuna delle due aree è composta da oltre 20 milioni di neuroni. Gli scienziati volevano capire il comportamento di entrambe le regioni, ma non potevano sondare milioni di neuroni. Così hanno letto campioni scelti accuratamente di circa 100/200 neuroni individuali in ciascuna delle due regioni.

Durante gli esperimenti, gli scienziati hanno esaminato letture del cervello delle scimmie su due livelli. Per il primo, hanno considerato l'attività dei singoli neuroni - la velocità con la quale «sparano» segnali i neuroni. Per il livello superiore, gli scienziati hanno individuato anche gli schemi dei cambiamenti nell'attività di molti neuroni. Questa è una tecnica relativamente nuova per le neuroscienze, chiamata «analisi di popolazione e dimensionalità». Il suo obiettivo è capire come i neuroni lavorano insieme in intere regioni del cervello.

A caccia del segnale

I principali risultati sono emersi dalla comprensione di come i singoli neuroni lavorano insieme come gruppo per guidare i muscoli. Mentre la scimmia si preparava a muovere il braccio, ma finchè lo tratteneva, molti neuroni in entrambe le regioni di controllo del movimento registravano grandi cambiamenti di attività. Ma questa attività preparatoria non guidava il movimento. Perché?

Gli scienziati hanno capito che, durante la fase preparatoria, il cervello bilancia accuratamente i cambiamenti di attività di tutti quei singoli neuroni all'interno di ogni regione. Mentre alcuni neuroni sparavano velocemente, altri rallentavano in modo che l'intero gruppo potesse trasmettere un messaggio coerente ai muscoli.

Ma al momento dell'azione, la lettura dei segnali del gruppo cambiavano in modo misurabile e coerente. Guardando i dati, gli scienziati hanno potuto correlare questi cambiamenti a livello di gruppo alla flessione dei muscoli. Questo cambiamento a livello di gruppo differenzia l'azione dalla preparazione.

Implicazioni più ampie

I ricercatori della Stanford hanno messo un grande impegno nell'analisi matematica dei dati. Dovevano essere sicuri che ognuna delle due popolazioni di neuroni mostrasse nell'attività i cambiamenti cruciali di controllo del muscolo quando (e solo se) flettevano i muscoli. Questo è stato il segnale chiave che avevano cercato di trovare.

Kaufman ha detto che, circa un anno dopo quello che si è poi rivelato un progetto triennale, si è reso conto che ci potrebbero essere conseguenze più ampie a questa idea di identificazione a livello di gruppo e dimensionalità. Egli stava presentando una prima versione dei risultati dell'analisi cervello-muscolo ad una conferenza scientifica, quando una domanda di uno dei suoi colleghi lo ha indotto a pensare. Aveva trovato segnali a livello di popolazione tra le regioni del cervello e dei muscoli. Forse le due aree del cervello, ciascuna con controllo parziale dell'azione, si accoppiano e si disaccoppiano in modo simile? "Ho iniziato l'analisi nella camera d'albergo quella notte all'una", ricorda Kaufman. "Quasi subito i risultati erano chiari".

"L'interazione fortuita tra scienza di base e ingegneria non cessa mai di stupirmi", ha detto il professor Shenoy, che è anche professore di neurobiologia, affiliato di bioingegneria e docente Bio-X. "Alcune delle migliori idee per la progettazione di sistemi protesici per aiutare le persone con paralisi provengono dalla ricerca di base delle neuroscienze, come è il caso qui, e alcune delle più profonde intuizioni scientifiche provengono dalla misurazione dell'ingegneria e dai sistemi medicali".

Fonte:  Stanford School of Engineering.

Riferimenti:  Matthew T Kaufman, Mark M Churchland, Stephen I Ryu, Krishna V Shenoy. Cortical activity in the null space: permitting preparation without movement. Nature Neuroscience, 2014; DOI: 10.1038/nn.3643

Pubblicato in eurekalert.org  (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

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