Modello di computer simula i sogni ad occhi aperti

Sebbene tutti sognino ad occhi aperti, il modo in cui il cervello crea sogni ad occhi aperti è stato oscuro.

Ora, gli scienziati hanno creato un modello virtuale del cervello che sogna ad occhi aperti come fanno gli umani.

Il sogno ad occhi aperti è tradizionalmente definito come un distacco a breve termine dall'ambiente circostante e include fantasie visionarie di pensieri, speranze o ambizioni felici e piacevoli. Spesso i sogni ad occhi aperti si verificano quando un individuo è annoiato dalle attività di routine.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno creato il modello computerizzato basato sulle dinamiche delle cellule cerebrali e sulle numerose connessioni che queste cellule fanno con i loro vicini e con le cellule in altre regioni del cervello.

Sperano che il modello li aiuti a capire perché certe parti del cervello lavorano insieme quando una persona sogna ad occhi aperti o è mentalmente inattiva. Questo, a sua volta, un giorno potrebbe aiutare i medici a diagnosticare e curare meglio le lesioni cerebrali.

"Possiamo dare al nostro modello lesioni come quelle che vediamo nell'ictus o nel cancro al cervello, disabilitando gruppi di cellule virtuali per vedere come viene influenzata la funzione cerebrale", ha detto l'autore senior Maurizio Corbetta, M.D., della Washington University School of Medicine di St. Louis. "Possiamo anche testare modi per riportare i modelli di attività alla normalità".

Lo studio è ora disponibile online in Il Journal of Neuroscience.

Gli scienziati hanno riconosciuto per la prima volta alla fine degli anni '90 e all'inizio degli anni 2000 che il cervello rimane impegnato anche quando non è impegnato in compiti mentali.

I ricercatori hanno identificato diverse reti cerebrali in "stato di riposo", che sono gruppi di diverse regioni del cervello che hanno livelli di attività che aumentano e diminuiscono in sincronia quando il cervello è a riposo. Hanno anche collegato le interruzioni nelle reti associate a lesioni cerebrali e malattie a problemi cognitivi nella memoria, nell'attenzione, nel movimento e nel linguaggio.

Il nuovo modello è stato sviluppato per aiutare gli scienziati a capire come la struttura anatomica del cervello contribuisce alla creazione e al mantenimento delle reti di stato di riposo.

I ricercatori hanno iniziato con un processo per simulare piccoli gruppi di neuroni, inclusi fattori che riducono o aumentano la probabilità che un gruppo di cellule invii un segnale.

"In un certo senso, abbiamo trattato piccole regioni del cervello come unità cognitive: non come singole cellule ma come gruppi di cellule", ha detto il coautore Gustavo Deco, Ph.D.

“L'attività di queste unità cognitive invia segnali eccitatori alle altre unità attraverso connessioni anatomiche. Ciò rende le unità collegate più o meno propense a sincronizzare i loro segnali. "

Sulla base dei dati delle scansioni cerebrali, i ricercatori hanno assemblato 66 unità cognitive in ciascun emisfero e le hanno collegate in schemi anatomici simili alle connessioni presenti nel cervello.

Gli scienziati hanno impostato il modello in modo che le singole unità attraversassero il processo di segnalazione a basse frequenze casuali che erano state precedentemente osservate nelle cellule cerebrali in coltura e nelle registrazioni dell'attività cerebrale a riposo.

Successivamente, i ricercatori hanno lasciato correre il modello, cambiando lentamente l'accoppiamento o la forza delle connessioni tra le unità. A uno specifico valore di accoppiamento, le interconnessioni tra le unità che inviano impulsi iniziarono presto a creare modelli coordinati di attività.

"Anche se abbiamo avviato le unità cognitive con bassi livelli di attività casuali, le connessioni hanno permesso alle unità di sincronizzarsi", ha detto Deco.

"Il modello spaziale di sincronizzazione che alla fine abbiamo osservato si avvicina molto bene - circa il 70% - ai modelli che vediamo nelle scansioni di cervelli umani a riposo".

L'utilizzo del modello per simulare 20 minuti di attività cerebrale umana ha richiesto 26 ore a un gruppo di potenti computer. Ma i ricercatori sono stati in grado di semplificare la matematica per rendere possibile l'esecuzione del modello su un tipico computer.

"Questo modello più semplice dell'intero cervello ci consente di testare una serie di ipotesi diverse su come le connessioni strutturali generano dinamiche della funzione cerebrale a riposo e durante le attività, e su come il danno cerebrale influisce sulle dinamiche cerebrali e sulla funzione cognitiva", ha detto Corbetta.

Fonte: Washington University di St. Louis