Le onde cerebrali viaggiano in una direzione quando vengono creati ricordi e l’opposto quando vengono richiamati.

 

 

Nel giro di pochi secondi, una persona che cammina lungo un isolato potrebbe controllare il telefono, sbadigliare, preoccuparsi di pagare l’affitto e modificare il proprio percorso per evitare una pozzanghera.

L’odore di un carrello del cibo potrebbe improvvisamente evocare un ricordo dell’infanzia, oppure potrebbero notare un topo che mangia una fetta di pizza e memorizzare l’immagine come un nuovo ricordo.

Per la maggior parte delle persone, passare da un comportamento all’altro in modo rapido e senza soluzione di continuità è una parte banale della vita quotidiana.

Per i neuroscienziati, è una delle capacità più notevoli del cervello.

Questo perché diverse attività richiedono al cervello di utilizzare diverse combinazioni delle sue numerose regioni e miliardi di neuroni. Come riesca a farlo così rapidamente è stata una questione aperta per decenni.

In un articolo pubblicato l’8 marzo su Nature Human Behaviour, un team di ricercatori, guidato da Joshua Jacobs, professore associato di ingegneria biomedica presso la Columbia Engineering, ha gettato nuova luce su questa domanda.

Monitorando attentamente l’attività neurale delle persone che stavano richiamando ricordi o formandone di nuovi, i ricercatori sono riusciti a rilevare come un nuovo tipo di onda cerebrale – le onde viaggianti – influenzi l’archiviazione e il recupero dei ricordi.

“In generale, abbiamo scoperto che le onde tendevano a spostarsi dalla parte posteriore del cervello alla parte anteriore mentre i pazienti stavano mettendo qualcosa nella loro memoria”, ha detto il coautore dell’articolo Uma R. Mohan, ricercatore post-dottorato presso il NIH ed ex ricercatore post-dottorato presso l’Electrophysiology, Memory, and Navigation Laboratory della Columbia Engineering.

“Quando i pazienti cercavano di ricordare le stesse informazioni, quelle onde si muovevano nella direzione opposta, dalla parte anteriore verso la parte posteriore del cervello”, ha detto.

Nel cervello di alcuni dei 93 partecipanti allo studio, le onde hanno viaggiato in altre direzioni.

“C’era molta diversità tra i pazienti, quindi abbiamo implementato un quadro basato sulla direzione in cui le oscillazioni di un individuo ‘preferivano’ viaggiare”, ha detto Mohan.

I ricercatori affermano che questi risultati fanno avanzare la ricerca neuroscientifica fondamentale e puntano verso approcci diagnostici e terapeutici per i disturbi legati alla memoria.

“Pensiamo che il lavoro possa portare a nuovi approcci per l’interfacciamento con il cervello. Misurando la direzione in cui si muovono le onde cerebrali di una persona, potremmo essere in grado di prevedere il loro comportamento”, ha detto Jacobs.

Le onde cerebrali sono modelli di oscillazioni elettriche che riflettono lo stato di centinaia o migliaia di singoli neuroni in un particolare momento.

Una domanda importante, che rimane irrisolta, è se le onde cerebrali guidino l’attività o semplicemente si verifichino come sottoprodotto dell’attività neurale che stava già accadendo.

I ricercatori che studiano le onde cerebrali tendono a trattarle come un fenomeno stazionario che si verifica in una particolare regione, notando quando le oscillazioni in più regioni sembrano sincronizzate.

In questo studio, Mohan e i suoi colleghi contribuiscono a una crescente comprensione di queste oscillazioni in modo diverso, come “onde viaggianti” che si diffondono attraverso la corteccia del cervello, lo strato più esterno che supporta l’elaborazione cognitiva superiore.

Mohan paragona le onde che viaggiano alle increspature che si diffondono verso l’esterno dopo che un sassolino è stato gettato in uno stagno.

“Stiamo osservando le oscillazioni neurali non come cose stazionarie indipendenti, ma come cose che si muovono costantemente e spontaneamente attraverso il cervello in modo dinamico”, ha detto Mohan.

Questo modo relativamente nuovo di comprendere le onde cerebrali è un passo entusiasmante nelle neuroscienze perché offre un percorso per spiegare come il cervello coordina rapidamente l’attività e condivide le informazioni tra più regioni.

Questo studio si è basato sui dati dei partecipanti che erano in trattamento per l’epilessia resistente ai farmaci negli ospedali di tutti gli Stati Uniti.

Gli esperimenti si sono svolti mentre i partecipanti avevano griglie o strisce di elettrodi temporaneamente impiantati sulla superficie del cervello, sotto il cranio, per determinare dove sorgono le convulsioni dei pazienti.

Per i ricercatori, questi elettrodi offrono la possibilità di eseguire esperimenti che altrimenti non sarebbero fattibili.

“È una rara opportunità di essere in grado di vedere cosa sta succedendo direttamente dal cervello mentre i partecipanti sono impegnati in diversi comportamenti cognitivi”, ha detto Mohan.

Durante gli esperimenti, i ricercatori hanno registrato l’attività cerebrale dei partecipanti mentre eseguivano compiti che richiedevano la memorizzazione e il richiamo di elenchi di parole o lettere.

Dopo gli esperimenti, i ricercatori hanno analizzato l’attività cerebrale di ciascun partecipante nel contesto di ciò che stavano facendo nel compito di memoria e di quanto bene si sono comportati.

“Ho implementato un metodo per etichettare le onde che viaggiano in una direzione come fondamentalmente ‘buone per mettere qualcosa in memoria’. Poi abbiamo potuto vedere come la direzione è cambiata nel corso del compito”, ha detto Mohan.

Questo metodo si basa su precedenti ricerche del laboratorio di Jacobs, espandendo il quadro matematico utilizzato per dare un senso alle grandi quantità di dati prodotti da questi esperimenti.

“Le onde tendevano ad andare nella direzione di codifica del partecipante quando quel partecipante stava mettendo qualcosa in memoria e nella direzione opposta proprio prima di ricordare la parola”, ha detto.

“Nel complesso, questo nuovo lavoro collega le onde viaggianti al comportamento, dimostrando che le onde viaggianti si propagano in direzioni diverse attraverso la corteccia per processi di memoria separati”.

I dati hanno anche mostrato che i partecipanti tendevano a eseguire il compito di memoria in modo più accurato quando le onde viaggianti si muovevano nella direzione appropriata per l’archiviazione e il richiamo della memoria.

“Questi risultati fanno luce sui meccanismi che sono alla base dell’elaborazione della memoria. Più in generale, ci aiutano a capire meglio come il cervello supporta una vasta gamma di comportamenti che coinvolgono interazioni coordinate con precisione tra le regioni del cervello”, ha detto Mohan.

Poiché le onde viaggianti sono sempre più ben comprese, potrebbero essere la base per una nuova classe di strumenti diagnostici che riconoscono modelli anomali nell’attività cerebrale.

C’è anche un notevole potenziale terapeutico.

“Se le onde di qualcuno si muovono nella direzione sbagliata quando stanno per cercare di ricordare qualcosa, ciò potrebbe metterlo in uno stato di scarsa memoria”, ha spiegato Mohan.

“Se si potesse applicare la stimolazione nel modo giusto, si potrebbero forse spingere quelle onde a muoversi in una direzione diversa, determinando uno stato di memoria fondamentalmente diverso”.

I progressi nella comprensione delle onde che viaggiano offrono un potenziale significativo per l’interazione uomo-computer.

Sia in termini di ricerca che di applicazione, Mohan osserva che la memoria è solo il punto di partenza.

“Sono interessata a come le caratteristiche delle onde corticali cambiano per supportare una vasta gamma di funzioni cognitive, tra cui l’attenzione e la memoria associativa”, ha detto.

“La direzione della propagazione dell’onda può dirci dove le informazioni si muovono attraverso il cervello in ogni momento, mostrandoci come le diverse parti del cervello trasferiscono le informazioni durante il comportamento”, ha detto Jacobs.

 

 

 

 

Immagine: Honghui Zhang