Il cervello individua la diversità

Gli scienziati del NIH hanno scoperto come una serie di onde del cervello ad alta frequenza può aiutarci a stabilire inconsciamente aspettative del mondo che ci circonda e sapere quando qualcosa è diverso confrontando i ricordi del passato con le esperienze presenti.

Immagina di essere seduto sul divano del tuo soggiorno a leggere. Lo fai quasi ogni giorno. Ma poi, all'improvviso, quando guardi in alto ti accorgi che questa volta qualcosa è diverso. La tua foto preferita appesa al muro è leggermente inclinata. In uno studio che ha coinvolto pazienti con epilessia, gli scienziati del National Institutes of Health hanno scoperto come un insieme di onde cerebrali ad alta frequenza può aiutarci a individuare questo tipo di differenze tra il passato e il presente.

Il dottor Kareem Zaghloul, MD, Ph.D., (1) ricercatore principale presso l'Istituto nazionale di disturbi neurologici e ictus (NINDS) del NIH e autore senior dello studio pubblicato su Nature Communications, (2) sostiene che «I nostri risultati suggeriscono che ogni esperienza che immagazziniamo nella memoria può essere utilizzata per impostare le nostre aspettative e previsioni per il futuro. Questo studio mostra come il cervello utilizza determinati modelli di attività neurale per confrontare le nostre aspettative con il presente. In definitiva, speriamo che questi risultati ci aiuteranno a capire meglio come il cervello ritrae la realtà in condizioni di salute e di malattia».

Lo studio è stato condotto dal dottor Rafi Haque, un M.D., Ph.D. (3) studente alla Emory University School of Medicine, Atlanta, che stava completando la sua tesi di laurea con il Dr. Zaghloul. Il suo obiettivo principale di ricerca era verificare se una teoria chiamata codifica predittiva può essere applicata al modo in cui il nostro cervello ricorda le esperienze passate, note come ricordi episodici.

Il dottor Rafi Haque spiega: «La codifica predittiva afferma fondamentalmente che il cervello ottimizza l'attività neurale per l'elaborazione delle informazioni. In altre parole, la teoria prevede che il cervello utilizzi più attività neurale per elaborare nuove informazioni di quanto non faccia per le cose che conosciamo. Anni di ricerca hanno dimostrato che nel tempo questo è il modo in cui impariamo ad aspettarci come appaiono i luoghi comuni, come l'erba verde, o i rumori quotidiani, come il cinguettio di alcuni volatili. Volevamo sapere se il cervello utilizza un processo simile per gestire le nostre esperienze».

Per testare questa idea, il team ha lavorato con 14 pazienti con tipi di epilessia resistenti ai farmaci i cui cervelli erano stati impiantati chirurgicamente con griglie di elettrodi come parte di uno studio del Centro clinico NIH volto a diagnosticare e trattare le loro crisi.

L'esperimento è iniziato quando ai pazienti è stato chiesto di memorizzare una serie di quattro scene naturali visualizzate sullo schermo di un computer. Ad esempio, una delle scene era di una bicicletta marrone appoggiata in posizione verticale su un cavalletto di fronte a un cespuglio verde. Pochi secondi dopo è stato mostrato loro un nuovo set di immagini e gli è stato chiesto se hanno riconosciuto la scena o notato qualcosa di diverso. Alcune immagini erano le stesse di prima, mentre altre sono state leggermente modificate aggiungendo o rimuovendo qualcosa, come un uccello rosso, dalla scena.

In media, i pazienti hanno riconosciuto con successo l'88% delle scene ripetute, il 68% delle scene a cui mancava qualcosa e il 65% di quelle in cui è stato aggiunto qualcosa. In ogni caso, ci sono voluti circa due secondi e mezzo per accorgersene.

L'analisi ulteriore di un sottoinsieme dei pazienti ha mostrato che hanno localizzato con successo l'82% delle aggiunte e il 70% delle rimozioni. Curiosamente, i loro occhi si fissavano spesso (83%) sulle aggiunte ma a malapena (34%) sulle aree della scena in cui qualcosa veniva rimosso.

«Nel complesso, questi risultati suggeriscono che ci vuole solo un momento non solo per ricordare una nuova esperienza, ma anche per utilizzare i ricordi di quell'esperienza per stabilire aspettative future», ha affermato il dottor Zaghloul.

Nel frattempo, le registrazioni elettriche hanno scoperto differenze nell'attività delle onde cerebrali tra le volte in cui i pazienti hanno ricordato con successo le scene ripetute e le volte in cui hanno notato i cambiamenti in una scena.

In entrambe le situazioni, la comparsa di una scena sullo schermo del computer ha innescato un aumento della forza delle onde ad alta frequenza dell'attività neurale nella corteccia occipitale laterale, un centro di elaborazione visiva nella parte posteriore del cervello. L'impulso fluì in avanti arrivando pochi millisecondi dopo in un centro della memoria chiamato lobo temporale mediale.

Inoltre, in entrambe le situazioni, il cervello dei pazienti sembrava riprodurre i modelli di attività neurale osservati quando hanno assistito per la prima volta alle scene.

«Questi risultati supportano l'idea che i ricordi delle esperienze visive seguono un certo percorso nel cervello», ha detto il dottor Haque.

La differenza, però, era che l'aumento dell'attività era più forte quando i pazienti riconoscevano un cambiamento in una scena.

Inoltre, durante questi momenti, una seconda onda a frequenza più bassa sembrava rimbombare in modo sincrono attraverso la corteccia occipitale laterale e il lobo temporale mediale.

«I nostri dati supportano l'idea che le nostre aspettative di esperienze visive sono controllate da un ciclo di feedback tra la corteccia visiva e il lobo temporale mediale», ha detto il dottor Zaghloul. «Le onde ad alta frequenza di attività neurale sembrano portare un messaggio di errore quando vediamo qualcosa che non corrisponde alle nostre aspettative, mentre le onde a frequenza più bassa potrebbero aggiornare i nostri ricordi».

National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS) è il principale finanziatore nazionale della ricerca sul cervello e sul sistema nervoso. La missione di NINDS è cercare conoscenze fondamentali sul cervello e sul sistema nervoso e utilizzare tale conoscenza per ridurre il peso delle malattie neurologiche. (4)

National Institutes of Health (NIH): l'agenzia di ricerca medica della nazione, comprende 27 istituti e centri ed è una componente del Dipartimento della salute e dei servizi umani degli Stati Uniti. NIH è la principale agenzia federale che conduce e sostiene la ricerca medica di base, clinica e traslazionale e sta studiando le cause, i trattamenti e le cure per le malattie comuni e rare. (5)

Riferimenti:

(1) Kareem Zaghloul

(2) Feedforward prediction error signals during episodic memory retrieval

(3) Rafi Haque

(4) National Institute of Neurological Disorders and Stroke

(5) National Institutes of Health (NIH)

Descrizione foto: Gli scienziati del NIH hanno scoperto come una serie di onde cerebrali ad alta frequenza può aiutarci a stabilire inconsciamente aspettative del mondo che ci circonda e sapere quando qualcosa è diverso confrontando i ricordi del passato con le esperienze presenti. - Credit: Per gentile concessione di Zaghloul lab, NIH / NINDS.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Researchers reveal how our brains know when something’s different