Memoria dell'impatto dei ritmi neuronali
Il cervello apprende attraverso i cambiamenti nella forza delle sue sinapsi - le connessioni tra i neuroni - in risposta agli stimoli. Ora, in una scoperta che sfida la saggezza convenzionale sui meccanismi di apprendimento cerebrali, i neurofisici dell'UCLA hanno scoperto che esiste un "ritmo" o frequenza cerebrale ottimale per modificare la forza sinaptica.
E, come le stazioni su un quadrante radio, ogni sinapsi è sintonizzata su una diversa frequenza ottimale per l'apprendimento.
I ricercatori ritengono che i risultati possano portare a una teoria unificata dei meccanismi alla base dell'apprendimento nel cervello, una scoperta che potrebbe portare a nuove terapie per il trattamento delle difficoltà di apprendimento.
Lo studio appare nel numero attuale della rivista Frontiere nelle neuroscienze computazionali.
"Molte persone hanno disturbi dell'apprendimento e della memoria, e al di là di quel gruppo, la maggior parte di noi non è Einstein o Mozart", ha detto Mayank R. Mehta, Ph.D., autore senior dell'articolo. "Il nostro lavoro suggerisce che alcuni problemi con l'apprendimento e la memoria sono causati da sinapsi non sintonizzati sulla giusta frequenza."
Un cambiamento nella forza di una sinapsi in risposta a stimoli - noto come plasticità sinaptica - è indotto attraverso i cosiddetti "treni di spike", serie di segnali neurali che si verificano con frequenza e tempistica variabili.
Gli esperimenti precedenti utilizzavano centinaia di picchi consecutivi nella gamma delle frequenze molto alte per indurre la plasticità. Tuttavia, questo non è il caso quando il cervello viene attivato durante compiti comportamentali nella vita reale, poiché i neuroni sparano solo circa 10 picchi consecutivi, non diverse centinaia. E lo fanno a una frequenza molto più bassa, tipicamente nell'intervallo di 50 picchi al secondo.
Fino ad ora, i ricercatori non erano stati in grado di condurre esperimenti che simulassero livelli più naturali.
Nel nuovo studio, Mehta e il coautore Arvind Kumar, Ph.D., sono stati in grado di ottenere queste misurazioni per la prima volta utilizzando un sofisticato modello matematico che hanno sviluppato e convalidato con dati sperimentali.
Contrariamente a quanto ipotizzato in precedenza, Mehta e Kumar hanno scoperto che quando si tratta di stimolare le sinapsi con schemi di spike presenti in natura, stimolare i neuroni alle frequenze più alte non era il modo migliore per aumentare la forza sinaptica.
"Con nostra sorpresa, abbiamo scoperto che oltre la frequenza ottimale, il rafforzamento sinaptico in realtà diminuisce all'aumentare delle frequenze".
La consapevolezza che una sinapsi ha una frequenza preferita per l'apprendimento massimo ha portato i ricercatori a confrontare le frequenze ottimali in base alla posizione della sinapsi su un neurone.
I neuroni hanno la forma di alberi, con il nucleo che è la base dell'albero, i dendriti che assomigliano ai rami estesi e le sinapsi che somigliano alle foglie su quei rami.
Quando Mehta e Kumar hanno confrontato l'apprendimento sinaptico in base a dove si trovavano le sinapsi sui rami dendritici, ciò che hanno trovato è stato significativo: la frequenza ottimale per indurre l'apprendimento sinaptico è cambiata a seconda di dove si trovava la sinapsi. Più la sinapsi era lontana dal corpo cellulare del neurone, maggiore era la sua frequenza ottimale.
"Incredibilmente, quando si tratta di apprendimento, il neurone si comporta come un'antenna gigante, con diversi rami di dendriti sintonizzati su frequenze diverse per il massimo apprendimento", ha detto Mehta.
I ricercatori hanno scoperto che non solo ciascuna sinapsi ha una frequenza preferita per ottenere un apprendimento ottimale, ma per ottenere l'effetto migliore, la frequenza deve essere perfettamente ritmica a intervalli esatti. Anche alla frequenza ottimale, se il ritmo veniva interrotto, l'apprendimento sinaptico era sostanzialmente diminuito.
La loro ricerca ha anche dimostrato che una volta che una sinapsi impara, la sua frequenza ottimale cambia. In altre parole, se la frequenza ottimale per una sinapsi ingenua - una che non ha ancora imparato nulla - fosse, diciamo, 30 picchi al secondo, dopo l'apprendimento, quella stessa sinapsi imparerebbe in modo ottimale a una frequenza inferiore, diciamo 24 picchi al secondo . Pertanto, l'apprendimento stesso cambia la frequenza ottimale per una sinapsi.
Questo processo di "detuning" indotto dall'apprendimento ha importanti implicazioni per il trattamento di disturbi legati all'oblio, come il disturbo da stress post-traumatico, hanno detto i ricercatori.
Sebbene siano necessarie molte più ricerche, i risultati sollevano la possibilità che possano essere sviluppati farmaci per "risintonizzare" i ritmi cerebrali di persone con disturbi dell'apprendimento o della memoria, o che molti di noi potrebbero diventare Einstein o Mozart se fosse consegnato il ritmo cerebrale ottimale a ciascuna sinapsi.
"Sappiamo già che ci sono farmaci e stimoli elettrici che possono alterare i ritmi cerebrali", ha detto Mehta. "I nostri risultati suggeriscono che possiamo utilizzare questi strumenti per fornire il ritmo cerebrale ottimale a connessioni mirate per migliorare l'apprendimento".
Fonte: UCLA
