Nelle onde cerebrali, gli scienziati vedono i neuroni destreggiarsi tra possibili futuri

Di fronte a una decisione, il cervello pesa le sue opzioni raggruppandole in cicli di onde cerebrali che si alternano rapidamente

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Tutti noi siamo costantemente di fronte a scelte consce e inconsce. Non solo su cosa indossare, cosa mangiare o come trascorrere un fine settimana, ma su quale mano usare quando si prende una matita o se spostare il peso su una sedia.

Per prendere decisioni anche banali, il nostro cervello una quantità di “cosa succederà se…” e valuta moltissime ipotesi. Anche per le scelte che sembrano automatiche – ad esempio il saltare fuori da un’auto in corsa(non fate prove del genere) – il cervello può estrapolare molto rapidamente dalle esperienze passate per fare previsioni e decidere come regolarsi.

In un articolo pubblicato su Cell, un team di ricercatori californiani ha analizzato i cervelli di alcuni topi alle prese con delle decisioni, constatando che i loro neuroni operavano a gran velocità nel valutare le scelte concorrenti a loro disposizione. Il meccanismo che hanno descritto potrebbe essere alla base non solo del processo decisionale, ma anche della capacità degli animali di immaginare possibilità più astratte – qualcosa di simile all’immaginazione.

Il gruppo, guidato dal neuroscienziato Loren Frank dell’Università della California, ha studiato l’attività delle cellule nell’ippocampo, la regione del cervello a forma di cavalluccio marino che svolge un ruolo cruciale sia nella conservazione che nel recupero dei ricordi che nell’orientamento. Hanno prestato particolare attenzione ai neuroni chiamati cellule di posizione, soprannominati “GPS del cervello” perché mappano mentalmente la posizione di un animale mentre si muove attraverso lo spazio.

Le cellule di posizione hanno dimostrato di eseguire molto rapidamente sequenze di attività particolari mentre un animale si muove attraverso il suo ambiente. L’attività corrisponde a ad un controllo della posizione appena dietro l’animale nel momento e per qualche momento precedente (Gli studi hanno dimostrato che questa attività contengono anche informazioni sulla posizione degli obiettivi o dei premi). Questi schemi di attività neurale, chiamati cicli theta, si ripetono circa otto volte al secondo nei ratti e rappresentano una traiettoria virtuale costantemente aggiornata per gli animali.



Ma come Frank e il suo team hanno ora scoperto, quando un animale sta per agire, l’attività neurale associata ai cicli theta fa avanti e indietro tra diversi possibili percorsi futuri – non solo per fare previsioni su ciò che verrà, ma come una specie di test del gusto ad alta velocità avanti e indietro da un buffet di imminenti corsi di azione.

Scenari alternati nelle onde cerebrali

I ricercatori hanno addestrato i ratti ad inoltrarsi su percorsi alternati attraverso un labirinto a forma di W mentre degli elettrodi registrava l’attività delle cellule di posizione. Gli animali si dovevano muovere attraverso il braccio centrale del labirinto, per poi girare a sinistra o a destra. Ma mentre i roditori si avvicinavano al punto in cui dovevano decidere da che parte girare, gli scienziati hanno notato qualcosa di strano nel comportamento delle loro cellule di posizione.

Si sono registrate intense attività da parte di alcune cellule poco prima di girare a sinistra, e di altre poco prima di girare a destra. Sembrava logico che quando un topo si avvicinava alla svolta, entrambe le serie di cellule si azionassero insieme: in quella regione del labirinto, l’attività articolare delle cellule avrebbe rispecchiato la posizione attuale dell’animale. Ma questo non è mai successo.

Invece, le cellule si sono alternate nell’attivarsi. Era come se, prima che l’animale si impegnasse in una rotta, il suo ippocampo elaborasse entrambe le opzioni “sinistra” e “destra” per i luoghi che avrebbe affrontato in futuro alternandoli tra loro – e mantenendoli sempre distinti.

Il loro cervello stava lavorando duramente per tenere separate queste cose“, ha detto Frank. “La domanda era perché.”

Precedenti lavori di David Redish, neuroscienziato dell’Università del Minnesota, e del compianto Adam Johnson hanno mostrato simili tipi di movimenti avanti e indietro attraverso potenziali futuri nelle cellule di animali che si muovono nei labirinti. Ma quei cambiamenti sembravano essere associati ad azioni più deliberative, e la coppia non ha indagato se le rappresentazioni “sinistra” o “destra” apparissero in modo casuale o più sistematico.

Al contrario, le alternanze identificate dal team UCSF erano esattamente allineate con ogni altro ciclo del ritmo thetaL’ippocampo ha generato una rappresentazione della scelta di svolta a sinistra durante un ciclo, quindi è passato alla scelta di svolta a destra per il successivo. Gli scenari non sempre si alternavano perfettamente durante l’esperimento – a volte la stessa sequenza persisteva per alcuni cicli – ma la struttura nei segnali era innegabile.

Le sequenze di 125 millisecondi sembravano separare le diverse ipotesi del cervello sul futuro in un quadro generale continuo e coerente.

Figura esplicativa che mostra come i segnali delle cellule del luogo associati a diverse traiettorie si intersecano nei cicli theta.
Lucy Reading-Ikkanda / Quanta

Ciò che stupisce qui è la regolarità. È piuttosto incredibile“, ha affermato György Buzsáki, neuroscienziato della School of Medicine della New York University che non ha partecipato alla nuova ricerca. “È una relazione uno a uno: un ciclo è lasciato, un ciclo è giusto, poi a sinistra, poi a destra“. Il vantaggio di questa disposizione altamente strutturata potrebbe essere che ogni scenario “what if” venga testato in modo equilibrato e ordinato, ha affermato.

Quando Frank e i suoi colleghi hanno analizzato ancora più da vicino l’attività neurale durante i ritmi theta, hanno scoperto che la prima parte di ogni ciclo corrispondeva a dove si trovava attualmente il ratto e la seconda parte mostrava l’alternativa sinistra o destra. L’intero schema assomigliava a: posizione attuale, possibilità di andare a sinistra, posizione attuale, possibilità di andare a destra e ripetere.

Mantenere disponibili tutte le opzioni

Anche altri modelli interessanti sono emersi dai dati. I ricercatori hanno scoperto, ad esempio, che i cicli theta non solo si ribaltavano tra le possibilità sinistra-destra di fronte al ratto nel labirinto, ma che a volte i singoli cicli potevano includere la possibilità di invertire la rotta. Questa scoperta è sconcertante, perché non sembrava un’opzione che il topo doveva prendere in considerazione in quel momento.

Questo fatto contesta l’idea che l’ippocampo semplicemente predica ciò che l’animale incontrerà dopo, secondo Kenneth Kay, un ricercatore post dottorato della Columbia University e primo autore del documento pubblicato su Cell . “Suggerisce che la struttura del ciclo è un modo potenzialmente universale di mettere in relazione le varie cose che l’ippocampo può codificare“.

Il ritmo theta sembra quindi avere uno scopo più generale quando si tratta di codificare ipotetici. Ogni ciclo “esprime contenuti particolari“, ha affermato Mark Brandon, neuroscienziato dell’Università McGill che non ha partecipato allo studio. “Potrebbe essere ‘girare a sinistra’ o ‘girare a destra’. Ma in termini più ampi, potrebbe essere che un particolare ricordo, o un evento particolare che è accaduto, sia codificato in questi blocchi di 125 millisecondi forniti dalle oscillazioni theta“.

Redish, che non era coinvolto nella nuova ricerca, concorda. “Non rappresenta solo lo spazio, ma una sorta di struttura episodica“, ha detto. “Si tratta davvero di considerare le opzioni“.

Forse, dicono i ricercatori, il ciclo theta è un’unità computazionale fondamentale che l’ippocampo usa per sondare scelte così astratte. Il più delle volte, è probabile che il suo contenuto sia basato sull’esperienza e potrebbe consentire all’animale di rispondere rapidamente e in modo flessibile a un ambiente in evoluzione – per scappare da un predatore, per esempio. Ma “il nostro lavoro indica anche che non deve necessariamente aiutarci in alcun modo immediato o super ovvio in futuro“, ha detto Kay. “Potrebbe svolgere un ruolo legato alla creatività, nei processi generativi o immaginativi in ​​senso lato“.

Questa possibilità ci dice che l’ippocampo è una regione del cervello che non aiuta solo a prendere decisioni attraverso le sue funzioni legate alla memoria. Piuttosto, dovrebbe essere visto come una struttura di apprendimento, qualcosa che genera e campiona da futuri immaginati, simulando opzioni per altre aree del cervello su cui valutare e agire. I cicli theta sembrano essere un chiaro punto di ingresso per svelare come funziona.

Le finestre di frazioni di secondo potrebbero anche essere cruciali per comprendere altri processi cognitivi o condizioni neurologiche. Spesso, gli studi sui processi neurali mediano l’attività cellulare nel corso di una sperimentazione; il lavoro di Frank e dei suoi colleghi dimostra l’importanza di analizzare le informazioni raccolte in tempi molto più rapidi.

I ricercatori stanno ora esaminando il meccanismo che dà origine ai modelli alternati che hanno osservato e in che modo tale attività influenza altre parti del cervello durante il processo decisionale. Stanno anche conducendo esperimenti in labirinti che coinvolgono più di due scenari alternativi. Mentre i ritmi cerebrali nei roditori differiscono da quelli umani, i ricercatori sperano che le loro scoperte siano vere anche per altre specie.

Stiamo solo grattando la superficie della comprensione della struttura temporale della cognizione e dell’immaginazione“, ha concluso Kay.

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