In tutta la corteccia cerebrale, i neuroni sono disposti in sei strati distinti, che possono essere facilmente visti al microscopio. Un team di neuroscienziati del MIT e della Vanderbilt University ha ora scoperto che anche questi strati mostrano modelli distinti di attività elettricache sono coerenti in molte regioni del cervello e in diverse specie animali, compreso l’uomo.
Un modello 3D del cervello – foto illustrativa. Credito immagine: Lisa Yount tramite Unsplash, licenza gratuita
I ricercatori hanno scoperto che negli strati più superficiali l’attività dei neuroni è dominata da rapide oscillazioni note come onde gamma. Negli strati più profondi predominano le oscillazioni più lente chiamate onde alfa e beta. L’universalità di questi modelli suggerisce che queste oscillazioni probabilmente svolgono un ruolo importante in tutto il cervello, dicono i ricercatori.
“Quando vedi qualcosa di così coerente e onnipresente attraverso la corteccia, sta giocando un ruolo fondamentale in ciò che fa la corteccia”, dice Earl Miller, professore di neuroscienze a Picower, membro del Picower Institute for Learning and Memory del MIT e uno dei ricercatori autori senior del nuovo studio.
Gli squilibri nel modo in cui queste oscillazioni interagiscono tra loro potrebbero essere coinvolti in disturbi cerebrali come il disturbo da deficit di attenzione e iperattività, dicono i ricercatori.
“È noto che l’attività neurale eccessivamente sincrona svolge un ruolo nell’epilessia, e ora sospettiamo che diverse patologie della sincronia possano contribuire a molti disturbi cerebrali, inclusi disturbi della percezione, dell’attenzione, della memoria e del controllo motorio. In un’orchestra, uno strumento suonato in modo non sincronizzato con gli altri può disturbare la coerenza dell’intero brano musicale”, afferma Robert Desimone, direttore del McGovern Institute for Brain Research del MIT e uno degli autori senior dello studio.
André Bastos, assistente professore di psicologia alla Vanderbilt University, è anche un autore senior dello studio ad accesso aperto, che appare in Neuroscienze della natura. Gli autori principali dell’articolo sono il ricercatore del MIT Diego Mendoza-Halliday e il postdoc del MIT Alex Major.
Strati di attività
Il cervello umano contiene miliardi di neuroni, ognuno dei quali ha i propri schemi di attivazione elettrica. Insieme, gruppi di neuroni con schemi simili generano oscillazioni di attività elettrica, o onde cerebrali, che possono avere frequenze diverse. Il laboratorio di Miller sì precedentemente mostrato che i ritmi gamma ad alta frequenza sono associati alla codifica e al recupero delle informazioni sensoriali, mentre i ritmi beta a bassa frequenza agiscono come un meccanismo di controllo che determina quali informazioni vengono lette dalla memoria di lavoro.
Il suo laboratorio ha anche scoperto che in alcune parti della corteccia prefrontale, diversi strati cerebrali mostrano modelli distintivi di oscillazione: oscillazione più rapida in superficie e oscillazione più lenta negli strati profondi. Uno studiocondotto da Bastos quando era postdoc nel laboratorio di Miller, ha dimostrato che mentre gli animali eseguivano compiti di memoria di lavoro, i ritmi a frequenza più bassa generati negli strati più profondi regolavano i ritmi gamma a frequenza più alta generati negli strati superficiali.
Oltre alla memoria di lavoro, la corteccia cerebrale è anche la sede del pensiero, della pianificazione e dell’elaborazione ad alto livello delle emozioni e delle informazioni sensoriali. In tutte le regioni coinvolte in queste funzioni, i neuroni sono disposti in sei strati e ogni strato ha la propria combinazione distintiva di tipi di cellule e connessioni con altre aree del cervello.
“La corteccia è organizzata anatomicamente in sei strati, non importa se si guardano i topi, gli esseri umani o qualsiasi specie di mammifero, e questo modello è presente in tutte le aree corticali di ciascuna specie”, afferma Mendoza-Halliday. “Sfortunatamente, molti studi sull’attività cerebrale hanno ignorato questi strati perché quando si registra l’attività dei neuroni, è difficile capire dove si trovano nel contesto di quegli strati.”
Nel nuovo articolo, i ricercatori volevano esplorare se il modello di oscillazione stratificato che avevano osservato nella corteccia prefrontale fosse più diffuso e si verificasse in diverse parti della corteccia e tra le specie.
Utilizzando una combinazione di dati acquisiti nel laboratorio di Miller, nel laboratorio di Desimone e nei laboratori di collaboratori di Vanderbilt, dell’Istituto olandese di neuroscienze e dell’Università dell’Ontario occidentale, i ricercatori sono stati in grado di analizzare 14 diverse aree della corteccia, di quattro specie di mammiferi. . Questi dati includevano registrazioni dell’attività elettrica di tre pazienti umani a cui erano stati inseriti elettrodi nel cervello come parte di una procedura chirurgica a cui erano sottoposti.
La registrazione da singoli strati corticali è stata difficile in passato, perché ogni strato ha uno spessore inferiore a un millimetro, quindi è difficile sapere da quale strato un elettrodo sta registrando. Per questo studio, l’attività elettrica è stata registrata utilizzando elettrodi speciali che registrano da tutti gli strati contemporaneamente, quindi inseriscono i dati in un nuovo algoritmo computazionale progettato dagli autori, chiamato FLIP (procedura di identificazione degli strati basata sulla frequenza). Questo algoritmo può determinare da quale livello proviene ciascun segnale.
“La tecnologia più recente consente la registrazione simultanea di tutti gli strati della corteccia. Questo dipinge una prospettiva più ampia dei microcircuiti e ci ha permesso di osservare questo modello a strati”, afferma Major. “Questo lavoro è entusiasmante perché fornisce informazioni su un modello fondamentale di microcircuito e fornisce una nuova e robusta tecnica per studiare il cervello. Non importa se il cervello sta eseguendo un compito o è a riposo e può essere osservato in soli 5-10 secondi.
In tutte le specie, in ciascuna regione studiata, i ricercatori hanno trovato lo stesso modello di attività stratificata.
“Abbiamo fatto un’analisi di massa di tutti i dati per vedere se potevamo trovare lo stesso modello in tutte le aree della corteccia, e voilà, era ovunque. Questa era una reale indicazione che ciò che era stato osservato in precedenza in un paio di aree rappresentava un meccanismo fondamentale attraverso la corteccia”, afferma Mendoza-Halliday.
Mantenere l’equilibrio
I risultati supportano a modello che il laboratorio di Miller ha precedentemente presentato, il quale propone che l’organizzazione spaziale del cervello lo aiuta a incorporare nuove informazioni, trasportate da oscillazioni ad alta frequenza, nelle memorie esistenti e nei processi cerebrali, che sono mantenuti da oscillazioni a bassa frequenza. Man mano che le informazioni passano da uno strato all’altro, gli input possono essere incorporati secondo necessità per aiutare il cervello a svolgere compiti particolari come preparare una nuova ricetta per biscotti o ricordare un numero di telefono.
“La conseguenza di una separazione laminare di queste frequenze, come abbiamo osservato, potrebbe essere quella di consentire agli strati superficiali di rappresentare le informazioni sensoriali esterne con frequenze più veloci e agli strati profondi di rappresentare stati cognitivi interni con frequenze più lente”, afferma Bastos. “L’implicazione di alto livello è che la corteccia ha molteplici meccanismi che coinvolgono sia l’anatomia che le oscillazioni per separare le informazioni “esterne” da quelle “interne”.
Secondo questa teoria, gli squilibri tra le oscillazioni ad alta e bassa frequenza possono portare a deficit di attenzione come l’ADHD, quando prevalgono le frequenze più alte e entrano troppe informazioni sensoriali, o a disturbi deliranti come la schizofrenia, quando le oscillazioni a bassa frequenza sono troppo elevate. entrano informazioni sensoriali forti e non sufficienti.
“Il giusto equilibrio tra i segnali di controllo dall’alto verso il basso e i segnali sensoriali dal basso verso l’alto è importante per tutto ciò che fa la corteccia”, afferma Miller. “Quando l’equilibrio va storto, si verifica un’ampia varietà di disturbi neuropsichiatrici.”
I ricercatori stanno ora esplorando se la misurazione di queste oscillazioni potrebbe aiutare a diagnosticare questi tipi di disturbi. Stanno anche studiando se il riequilibrio delle oscillazioni potrebbe alterare il comportamento, un approccio che un giorno potrebbe essere utilizzato per trattare i deficit di attenzione o altri disturbi neurologici, dicono i ricercatori.
I ricercatori sperano anche di collaborare con altri laboratori per caratterizzare in modo più dettagliato i modelli di oscillazione stratificati nelle diverse regioni del cervello.
“La nostra speranza è che con un numero sufficiente di resoconti standardizzati, inizieremo a vedere modelli comuni di attività in diverse aree o funzioni che potrebbero rivelare un meccanismo comune di calcolo che può essere utilizzato per le prestazioni motorie, per la visione, per la memoria e l’attenzione, eccetera”, dice Mendoza-Halliday.
Scritto da Anne Trafton
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
