Scoperto come il cervello umano codifica l'esperienza

AGI - Svelato uno dei misteri fondamentali delle neuroscienze: come il cervello umano codifica e dà senso al flusso del tempo e delle esperienze. Lo dimostra uno studio condotto dall'UCLA Health, pubblicato sulla rivista Nature. Per la ricerca, gli scienziati hanno registrato direttamente l'attività di singoli neuroni negli esseri umani e hanno scoperto che specifici tipi di cellule cerebrali si attivano in un modo che rispecchia per lo piu' l'ordine e la struttura delle esperienze di una persona. I ricercatori hanno scoperto che il cervello conserva questi schemi di accensione unici anche dopo la conclusione dell'esperienza e può riprodurli rapidamente a riposo. Inoltre, il cervello è anche in grado di utilizzare questi schemi appresi per prepararsi a stimoli futuri successivi all'esperienza. Questi risultati forniscono la prima prova empirica di come specifiche cellule cerebrali integrino le informazioni "cosa" e "quando" per estrarre e conservare le rappresentazioni delle esperienze nel tempo.

"I risultati potrebbero essere utili per lo sviluppo di dispositivi neuro-protesici per migliorare la memoria e altre funzioni cognitive, oltre ad avere implicazioni nella comprensione dell'intelligenza artificiale della cognizione nel cervello umano", ha detto Itzhak Fried, autore senior dello studio. "Riconoscere gli schemi delle esperienze vissute nel tempo è fondamentale per il cervello umano per formare la memoria, prevedere i potenziali risultati futuri e guidare i comportamenti", ha continuato Fried, che è direttore della chirurgia dell'epilessia presso l'UCLA Health e professore di neurochirurgia, psichiatria e scienze biocomportamentali presso la David Geffen School of Medicine dell'UCLA. 

"Ma - ha aggiunto Fried - il modo in cui questo processo si svolge nel cervello a livello cellulare era rimasto sconosciuto fino ad ora". Ricerche precedenti, condotte anche da Fried, hanno utilizzato registrazioni cerebrali e neuroimmagini per capire come il cervello elabora la navigazione spaziale, dimostrando in modelli animali e umani che due regioni del cervello, l'ippocampo e la corteccia entorinale, svolgono un ruolo chiave. Le due regioni cerebrali, entrambe importanti per le funzioni della memoria, interagiscono per creare una "mappa cognitiva". I neuroni dell'ippocampo agiscono come "cellule di luogo" che indicano quando un animale si trova in una posizione specifica, simile a una "X" su una mappa, mentre i neuroni dell'entorinale agiscono come "cellule di griglia" per fornire una metrica della distanza spaziale. Queste cellule, scoperte per la prima volta nei roditori, sono state poi ritrovate nell'uomo dal gruppo di ricerca di Fried.

Ulteriori studi hanno scoperto che azioni neurali simili funzionano per rappresentare esperienze non spaziali come il tempo, la frequenza del suono e le caratteristiche degli oggetti. Una scoperta fondamentale di Fried e dei suoi colleghi è stata quella delle "cellule concettuali" nell'ippocampo umano e nella corteccia entorinale, che rispondono a particolari individui, luoghi o oggetti distinti e sembrano essere fondamentali per la nostra capacità di memoria. Per esaminare l'elaborazione cerebrale degli eventi nel tempo, lo studio dell'UCLA ha reclutato 17 partecipanti con epilessia intrattabile ai quali erano stati precedentemente impiantati elettrodi di profondità nel cervello per il trattamento clinico. I ricercatori hanno registrato l'attività neurale dei partecipanti mentre venivano sottoposti a una procedura complessa che prevedeva compiti comportamentali, riconoscimento di modelli e sequenze di immagini. I partecipanti sono stati sottoposti a una prima sezione di screening durante la quale sono state mostrate loro circa 120 immagini di persone, animali, oggetti e punti di riferimento su un computer per circa 40 minuti.

I partecipanti sono stati istruiti a svolgere vari compiti, come determinare se l'immagine mostrava una persona o meno. Le immagini, che ritraevano attori, musicisti e luoghi famosi, sono state selezionate in parte in base alle preferenze di ciascun partecipante In seguito, i partecipanti sono stati sottoposti a un esperimento in tre fasi in cui dovevano eseguire compiti comportamentali in risposta a immagini visualizzate arbitrariamente in diverse posizioni di un grafico a forma di piramide. Per ogni partecipante sono state selezionate sei immagini. Nella prima fase, le immagini sono state visualizzate in un ordine pseudo-casuale. Nella fase successiva, l'ordine delle immagini era determinato dalla posizione sul grafico piramidale. La fase finale era identica alla prima. Mentre guardavano queste immagini, ai partecipanti è stato chiesto di eseguire vari compiti comportamentali che non erano correlati al posizionamento delle immagini sul grafico piramidale.

Tra questi compiti vi era quello di determinare se l'immagine mostrasse un uomo o una donna o se una determinata immagine era speculare rispetto alla fase precedente. Nelle loro analisi, Fried e i suoi colleghi hanno scoperto che i neuroni dell'ippocampo e dell'orbita hanno iniziato gradualmente a modificare e ad allineare strettamente la loro attività alla sequenza delle immagini sui grafici piramidali. Secondo Fried, questi schemi si sono formati naturalmente e senza istruzioni dirette ai partecipanti. Inoltre, i modelli neuronali riflettevano la probabilità di stimoli imminenti e mantenevano i modelli codificati anche dopo il completamento del compito."Questo studio ci mostra per la prima volta come il cervello utilizzi meccanismi analoghi per rappresentare tipi di informazione apparentemente molto diversi: lo spazio e il tempo", ha dichiarato Fried. "Abbiamo dimostrato a livello neuronale come queste rappresentazioni delle traiettorie degli oggetti nel tempo siano incorporate dal sistema ippocampale-entorinale umano", ha concluso Fried.