Il cervello trova ordine nel caos

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In che modo il cervello trova ordine in un mare di rumore e caos?

I ricercatori dell’EPFL Blue Brain Project hanno trovato la risposta utilizzando tecniche di simulazione avanzate per studiare il modo in cui i neuroni si parlano. In un articolo pubblicato su Nature Communications, hanno scoperto che lavorando in gruppo, i neuroni corticali possono rispondere anche a input deboli sullo sfondo di rumore e caos, permettendo al cervello di trovare ordine.

I neuroni comunicano tra loro inviando rapidi impulsi di segnali elettrici chiamati picchi.

 A prima vista, la generazione di questi picchi può essere molto affidabile: quando un neurone isolato riceve ripetutamente esattamente lo stesso input elettrico, troviamo lo stesso schema di picchi. Perché, quindi, l’attività dei neuroni corticali in un animale vivo fluttua e in realtà sembra così variabile?

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Ci sono due ragioni per questo. In primo luogo, quando si trasmette un segnale a un altro neurone, il processo a volte può fallire e questi fallimenti sono imprevedibili, come tirare un dado per decidere su un risultato. “Stimiamo che la possibilità di una sinapsi tra due neuroni piramidali corticali che passano un segnale neurotrasmettitore chimico può arrivare al 10%”, spiega il ricercatore capo Max Nolte. Questa incertezza significa che ogni volta un neurone sentirà lo stesso messaggio inviato dai neuroni collegati in modo diverso.

In secondo luogo, quando i due tipi fondamentali di neuroni corticali (eccitatori e inibitori) sono interconnessi in una rete, le piccole incertezze nei modelli di attività si amplificano. Questo porta a schemi imprevedibili, un comportamento che si chiama caos.

Questo sfondo di rumore e caos suggerisce che i singoli neuroni corticali non riescono a trovare l’ordine e sparare picchi affidabili e quindi il cervello deve “mediare” l’attività di molti neuroni per certezza: ascolta l’intero coro invece di singoli cantanti.

Il cervello trova ordine nel caos
Le dinamiche corticali emergenti sono modellate da diverse proprietà cellulari e di rete, come il rumore sinaptico e il caos, quantificate usando il modello di microcircuito neocorticale del Blue Brain Project. Credito: Blue Brain Project / EPFL

La neuroscienza di simulazione trova la risposta

Le manipolazioni sperimentali necessarie per districare le fonti di rumore nel cervello e valutare il loro impatto sull’attività neuronale sono attualmente impossibili da eseguire in un animale vivo in vivo o persino in tessuto cerebrale separato in vitro.

“Per il momento, semplicemente non è possibile monitorare tutte le migliaia di input cerebrali in un neurone in vivo, né accendere e spegnere diverse fonti di rumore”, afferma Nolte. L’approssimazione più vicina del tessuto corticale fino ad oggi in un modello è la ricostruzione digitale biologicamente dettagliata del microcircuito neocorticale di ratto ( Cell , 2015). Questo modello di computer ha fornito la piattaforma ideale per i ricercatori per studiare fino a che punto le voci dei singoli neuroni possono essere comprese, in quanto contiene modelli vincolati ai dati della trasmissione inaffidabile del segnale tra neuroni.

Usando questo modello, i ricercatori hanno scoperto che l’attività che viene generata spontaneamente dai neuroni interconnessi è altamente rumorosa e caotica, rappresentando tempi di spike molto diversi in ogni ripetizione. “Abbiamo studiato l’origine e la natura della variabilità interna corticale con un modello di microcircuito neocorticale biofisico con fonti di rumore biologicamente realistiche”, rivela Nolte. “Abbiamo osservato che i segnali del neurotrasmettitore inaffidabili sono amplificati dalle dinamiche di rete ricorrenti, causando una memoria in rapido decadimento del passato – un mare di rumore e caos“.

Risposte affidabili tra rumore e caos

Ma, naturalmente, il cervello dei mammiferi non ha una memoria in rapido decadimento. In effetti, forse l’intuizione più affascinante dei risultati è che i tempi di picco che erano altamente inaffidabili durante l’attività spontanea sono diventati altamente affidabili quando il circuito ha ricevuto input esterni. Questo fenomeno non era semplicemente il risultato di un forte input esterno che portava direttamente i neuroni a risposte affidabili. Anche un debole input talamocorticale potrebbe far passare brevemente la rete a un regime di spiking altamente affidabile. A quel punto, le interazioni tra i neuroni che altrimenti amplificano l’incertezza e il caos, al contrario amplificano l’affidabilità e consentono al cervello di trovare l’ordine.

“Gli stimoli talamocorticali possono provocare tempi di picco affidabili con una precisione di millisecondi tra rumore e caos“, spiega il fondatore e direttore di Blue Brain, il Prof. Henry Markram.

Sorprendentemente, siamo stati in grado di dimostrare che questo effetto si basa sui neuroni corticali che lavorano in gruppo. Il nostro modello mostra quindi che il rumore e il caos nelle reti di neuroni corticali sono compatibili con lo spiking affidabile, permettendo al cervello di trovare ordine. Questa scoperta suggerisce che l’attività altamente fluttuante dei neuroni corticali in un animale vivo sta riflettendo l’ordine, non il rumore e il caos “, conclude Markram.

Immagine, una sinapsi in primo piano, in mezzo a una foresta di neuroni. La sinapsi è distorta con un effetto glitch per suggerire il rumore sinaptico che influenza il rilascio della vescicola. Credito: Blue Brain Project / EPFL.

Fonte, Nature


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