Comprendere la cognizione e le sue disfunzioni

Come il pensiero nasce dalla coordinazione dell’attività neurale guidata da campi elettrici oscillanti, ovvero “onde” o “ritmi” cerebrali

Potrebbe essere molto istruttivo osservare i pixel del tuo telefono al microscopio, ma non se il tuo obiettivo è capire cosa mostra un intero video sullo schermo. La cognizione è più o meno lo stesso tipo di proprietà emergente nel cervello. Può essere compreso solo osservando come milioni di cellule agiscono in coordinazione, sostengono un trio di neuroscienziati del MIT. In un nuovo articolo, delineano un quadro per comprendere come il pensiero nasce dalla coordinazione dell’attività neurale guidata da campi elettrici oscillanti, noti anche come “onde” cerebrali o “ritmi”.

Storicamente liquidati esclusivamente come sottoprodotti dell'attività neurale, i ritmi cerebrali sono in realtà fondamentali per organizzarla, scrivono il professor Earl Miller (1) di Picower e i ricercatori Scott Brincat (2) e Jefferson Roy (3) in Current Opinion in Behavioral Science (4). E mentre i neuroscienziati hanno acquisito enormi conoscenze studiando come le singole cellule cerebrali si connettono e come e quando emettono “picchi” per inviare impulsi attraverso circuiti specifici, c’è anche la necessità di apprezzare e applicare nuovi concetti sulla scala del ritmo cerebrale, che può estendersi in regioni cerebrali individuali o anche multiple.

«Le punte e l'anatomia sono importanti, ma c'è molto altro da fare nel cervello oltre a questo», afferma l'autore senior Earl K. Miller, membro della facoltà del Picower Institute for Learning and Memory e del Dipartimento di cervello e scienze cognitive del MIT. «Ci sono molte funzionalità che si svolgono a un livello superiore, in particolare la cognizione».

La posta in gioco nello studio del cervello su quella scala, scrivono gli autori, potrebbe non solo includere la comprensione delle funzioni sane di livello superiore, ma anche il modo in cui tali funzioni vengono interrotte nella malattia.

«Molti disturbi neurologici e psichiatrici, come la schizofrenia, l'epilessia e il morbo di Parkinson, comportano l'interruzione di proprietà emergenti come la sincronia neurale», scrivono. «Prevediamo che capire come interpretare e interfacciarsi con queste proprietà emergenti sarà fondamentale per lo sviluppo di trattamenti efficaci e per comprendere la cognizione».

L'emergere dei pensieri

«Il ponte tra la scala dei singoli neuroni e la coordinazione su scala più ampia di molte cellule si fonda sui campi elettrici», scrivono i ricercatori. Attraverso un fenomeno chiamato “accoppiamento efaptico”, il campo elettrico generato dall’attività di un neurone può influenzare la tensione dei neuroni vicini, creando un allineamento tra di loro. In questo modo, i campi elettrici riflettono l’attività neurale e la influenzano. In un articolo del 2022 (5), Miller e colleghi hanno dimostrato attraverso esperimenti e modelli computazionali che le informazioni codificate nei campi elettrici generati da insiemi di neuroni possono essere lette in modo più affidabile rispetto alle informazioni codificate dai picchi delle singole cellule. Nel 2023 il laboratorio di Miller ha fornito la prova che i campi elettrici ritmici possono coordinare i ricordi (6) tra le regioni.

Su questa scala più ampia, in cui i campi elettrici ritmici trasportano informazioni tra le regioni del cervello, il laboratorio di Miller ha pubblicato numerosi studi che mostrano come i ritmi a frequenza più bassa nella cosiddetta banda “beta” hanno origine negli strati più profondi della corteccia cerebrale e (7) sembrano regolare la potenza dei ritmi “gamma” a frequenza più veloce negli strati più superficiali. Registrando l'attività neurale nel cervello di animali impegnati in giochi di memoria di lavoro, il laboratorio ha dimostrato che i ritmi beta trasportano segnali “dall'alto verso il basso” per controllare quando e dove i ritmi gamma possono codificare informazioni sensoriali, come le immagini di cui gli animali hanno bisogno di ricordare nel gioco.

Alcune delle ultime prove del laboratorio suggeriscono che i ritmi beta applicano questo controllo dei processi cognitivi a zone fisiche della corteccia, agendo essenzialmente come stampini che modellano dove e quando la gamma può codificare le informazioni sensoriali nella memoria o recuperarle. Secondo questa teoria, che Miller chiama “Spatial Computing” (8), beta può quindi stabilire le regole generali di un compito (ad esempio, i giri avanti e indietro necessari per aprire una serratura a combinazione), anche se il contenuto informativo specifico può cambiare (ad esempio, nuovi numeri quando la combinazione cambia). Più in generale, questa struttura consente anche ai neuroni di codificare in modo flessibile più di un tipo di informazione alla volta, scrivono gli autori, una proprietà neurale ampiamente osservata chiamata “selettività mista”. Ad esempio, a un neurone che codifica un numero della combinazione di blocco può anche essere assegnato, in base alla patch beta in cui si trova, la fase particolare del processo di sblocco per cui il numero è importante.

Nel nuovo studio, Miller, Brincat e Roy suggeriscono un altro vantaggio coerente con il controllo cognitivo basato su un’interazione di attività ritmica coordinata su larga scala: la “codifica subspaziale”. Questa idea postula che i ritmi cerebrali organizzino il numero altrimenti enorme di possibili risultati che potrebbero derivare, ad esempio, da 1.000 neuroni impegnati in attività di picco indipendenti. Invece di tutte le numerose possibilità combinatorie, in realtà emergono molti meno “sottospazi” di attività, perché i neuroni sono coordinati, piuttosto che indipendenti. È come se l’attività dei neuroni fosse come uno stormo di uccelli che coordinano i loro movimenti. Diverse fasi e frequenze dei ritmi cerebrali forniscono questa coordinazione, allineate per amplificarsi a vicenda o sfasate per evitare interferenze. Ad esempio, se è necessario ricordare un'informazione sensoriale, l'attività neurale che la rappresenta può essere protetta dalle interferenze quando vengono percepite nuove informazioni sensoriali.

«Pertanto l'organizzazione delle risposte neurali in sottospazi può sia separare che integrare le informazioni», scrivono gli autori.

«Il potere dei ritmi cerebrali di coordinare e organizzare l'elaborazione delle informazioni nel cervello è ciò che consente alla cognizione funzionale di emergere su quella scala», scrivono gli autori. Comprendere la cognizione nel cervello, quindi, richiede lo studio dei ritmi.

«Lo studio dei singoli componenti neurali in isolamento – singoli neuroni e sinapsi – ha dato un enorme contributo alla nostra comprensione del cervello e rimane importante», concludono gli autori. «Tuttavia, sta diventando sempre più chiaro che, per catturare appieno la complessità del cervello, tali componenti devono essere analizzati di concerto per identificare, studiare e mettere in relazione le loro proprietà emergenti».

Riferimenti:

(1) Earl K. Miller

(2) Scott Brincat

(3) Jefferson Roy

(4) Cognition is an emergent property

(5) Neurons are fickle. Electric fields are more reliable for information

(6) Brain networks encoding memory come together via electric fields, study finds

(7) New study reveals how brain waves control working memory

(8) ‘Spatial Computing’ enables flexible working memory

Descrizione foto: Uno dei mezzi chiave con cui gli scienziati del MIT propongono che il pensiero sia controllato a livello delle onde cerebrali è la cosiddetta teoria del calcolo spaziale. Si presuppone che i ritmi beta agiscano come stampini, dettando dove i ritmi gamma possono codificare le informazioni nella corteccia. - Credit: Picower Institute.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: To understand cognition — and its dysfunction — neuroscientists must learn its rhythms