Parti del cervello offline anche mentre siamo svegli

Una nuova ricerca suggerisce che parti del cervello si accendono e si spengono naturalmente anche quando siamo svegli. Gli investigatori della Stanford University ritengono che ciò potrebbe portare a interventi per garantire che le aree del cervello che stiamo utilizzando siano in linea e funzionino al massimo delle capacità.

Gli scienziati spiegano che quando siamo in un sonno profondo, l'attività del nostro cervello diminuisce e scorre in onde grandi ed evidenti, come guardare una marea di corpi umani che si alzano e si siedono intorno a uno stadio sportivo. È difficile non vederlo.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno scoperto gli stessi cicli nella veglia come nel sonno, ma con solo piccole sezioni sedute e in piedi all'unisono piuttosto che l'intero stadio. È come se minuscole porzioni del cervello si addormentassero e si svegliassero in modo indipendente tutto il tempo.

Inoltre, sembra che quando i neuroni sono passati allo stato più attivo, o "attivo", sono più bravi a rispondere al mondo. I neuroni trascorrono anche più tempo nello stato attivo quando prestano attenzione a un compito. Questa scoperta suggerisce che anche i processi che regolano l'attività cerebrale nel sonno potrebbero svolgere un ruolo nell'attenzione.

"L'attenzione selettiva è simile a rendere piccole parti del cervello un po 'più sveglie", ha detto Tatiana Engel, Ph.D., borsista post-dottorato e co-autrice della ricerca, recentemente pubblicata in Scienza.

L'ex studente laureato Nicholas Steinmetz è l'altro co-autore principale, con gli esperimenti di neurofisiologia eseguiti nel laboratorio del dottor Tirin Moore, professore di neurobiologia e uno degli autori senior.

Comprendere questi cicli appena scoperti richiede una conoscenza un po 'di come è organizzato il cervello.

Se dovessi infilare uno spillo direttamente nel cervello, tutte le cellule cerebrali che avresti colpito risponderebbero allo stesso tipo di cose. In una colonna potrebbero rispondere tutti a oggetti in una parte particolare del campo visivo, ad esempio in alto a destra.

Il team ha utilizzato una serie di pin molto sensibili in grado di registrare l'attività da una colonna di neuroni nel cervello.

In passato, le persone sapevano che i singoli neuroni attraversano fasi in cui sono più o meno attivi, ma con questa sonda hanno visto per la prima volta che tutti i neuroni in una data colonna ciclano insieme tra l'accensione molto rapidamente e poi l'accensione a un ritmo molto più lento, simile ai cicli coordinati nel sonno.

"Durante uno stato attivo, i neuroni iniziano a sparare rapidamente", ha detto la dottoressa Kwabena Boahen, professore di bioingegneria ed ingegneria elettrica a Stanford e autore senior dell'articolo.

“Poi, all'improvviso, passano semplicemente a una bassa frequenza di fuoco. Questa commutazione di accensione e spegnimento avviene continuamente, come se i neuroni lanciassero una moneta per decidere se accenderli o spegnerli ".

Quei cicli, che si verificano nell'ordine di secondi o frazioni di secondo, non erano così visibili quando svegli perché l'onda non si propaga molto oltre quella colonna, a differenza del sonno quando l'onda si diffonde in quasi tutto il cervello ed è facile da rilevare.

Il team ha scoperto che gli stati di attività superiore e inferiore si riferiscono alla capacità di rispondere al mondo.

Il gruppo aveva la sonda in una regione del cervello nelle scimmie che rileva specificamente una parte del mondo visivo. Le scimmie erano state addestrate a prestare attenzione a un segnale che indicava che qualcosa in una particolare parte del campo visivo - la parte superiore destra, diciamo, o quella inferiore sinistra - stava per cambiare leggermente. Le scimmie hanno quindi ricevuto un premio se hanno identificato correttamente di aver visto quel cambiamento.

Quando il team ha indicato dove potrebbe verificarsi un cambiamento, i neuroni all'interno della colonna che percepiscono quella parte del mondo hanno iniziato a trascorrere più tempo nello stato attivo.

In sostanza, hanno continuato tutti a passare da uno stato all'altro all'unisono, ma hanno trascorso più tempo nello stato attivo se stavano prestando attenzione. Se il cambiamento dello stimolo avveniva quando le cellule erano in uno stato più attivo, era anche più probabile che la scimmia identificasse correttamente il cambiamento.

"La scimmia è molto brava a rilevare i cambiamenti dello stimolo quando i neuroni in quella colonna sono nello stato attivo ma non nello stato spento", ha detto Engel. Anche quando la scimmia sapeva di prestare attenzione a una particolare area, se i neuroni passavano a uno stato di attività inferiore la scimmia spesso perdeva il cambiamento dello stimolo.

Engel ha detto che questa scoperta è qualcosa che potrebbe essere familiare a molte persone. A volte pensi di prestare attenzione, ha sottolineato, ma ti mancheranno comunque le cose.

Gli scienziati hanno affermato che i risultati si riferiscono anche a lavori precedenti, che hanno scoperto che gli animali e gli esseri umani più attenti tendono ad avere pupille più dilatate.

Nel lavoro attuale, quando le cellule cerebrali trascorrevano più tempo in uno stato attivo, anche le pupille della scimmia erano più dilatate. I risultati dimostrano un'interazione tra oscillazioni sincrone nel cervello, attenzione a un'attività e segni esterni di vigilanza.

"Sembra che i meccanismi alla base dell'attenzione e dell'eccitazione siano abbastanza interdipendenti", ha detto Moore.

La ricerca porta nuove domande.

Gli investigatori dicono che un'indagine che emerge da questo lavoro è il motivo per cui i neuroni entrano in uno stato di attività inferiore quando siamo svegli. Perché non restare sempre nello stato più attivo?

Una risposta potrebbe riguardare l'energia. "C'è un costo metabolico associato con l'attivazione dei neuroni tutto il tempo", ha detto Boahen. Il cervello utilizza molta energia e forse dare alle cellule la possibilità di fare l'equivalente energetico di sedersi consente al cervello di risparmiare energia.

Inoltre, quando i neuroni sono molto attivi, generano sottoprodotti cellulari che possono danneggiare le cellule. Engel ha sottolineato che gli stati di bassa attività potrebbero consentire il tempo di eliminare questo spreco neuronale. "Questo documento suggerisce luoghi in cui cercare queste risposte", ha detto Engel.

Fonte: Stanford University