Lo studio finanziato dal NIH identifica le cellule cerebrali che formano i confini tra eventi discreti.
I ricercatori hanno identificato due tipi di cellule nel nostro cervello che sono coinvolte nell’organizzazione di ricordi discreti in base a quando si sono verificati.
Questa scoperta migliora la nostra comprensione di come il cervello umano forma i ricordi e potrebbe avere implicazioni nei disturbi della memoria come il morbo di Alzheimer.
Lo studio è stato sostenuto dall’iniziativa Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) del National Institutes of Health e pubblicato su Nature Neuroscience.
“Questo lavoro è rivoluzionario nel modo con cui i ricercatori hanno studiato come il cervello umano pensa”, ha affermato Jim Gnadt, Ph.D., direttore del programma presso il National Institute of Neurological Disorders and Stroke e il NIH BRAIN Initiative. “Porta alla neuroscienza umana un approccio utilizzato in precedenza nei primati e nei roditori non umani registrando direttamente dai neuroni che generano pensieri”.
Questo studio, guidato da Ueli Rutishauser, Ph.D., professore di neurochirurgia, neurologia e scienze biomediche al Cedars-Sinai Medical Center di Los Angeles, è iniziato con una domanda apparentemente semplice: come fa il nostro cervello a formare e organizzare i ricordi? Viviamo le nostre vite da svegli come un’esperienza continua, ma si ritiene, sulla base di studi sul comportamento umano, che memorizziamo questi eventi della vita come momenti individuali e distinti. Cosa segna l’inizio e la fine di un ricordo? Questa teoria viene definita “segmentazione degli eventi” e sappiamo relativamente poco su come funziona il processo nel cervello umano.
Per studiarlo, Rutishauser e i suoi colleghi hanno lavorato con 20 pazienti sottoposti a registrazione intracranica dell’attività cerebrale per guidare l’intervento chirurgico per il trattamento della loro epilessia farmacoresistente. Hanno esaminato il modo in cui l’attività cerebrale dei pazienti è stata influenzata quando sono stati mostrati filmati contenenti diversi tipi di “confini cognitivi” – transizioni ritenute in grado di innescare cambiamenti nel modo in cui un ricordo viene archiviato e che segnano l’inizio e la fine dei “file” di memoria nel cervello .
Il primo tipo, denominato “confine morbido”, è un video contenente una scena che poi si interrompe su un’altra scena che continua la stessa storia. Ad esempio, viene lanciata una partita di baseball che mostra un lancio e, quando il battitore colpisce la palla, la telecamera riprende un’inquadratura del difensore che esegue una giocata. Al contrario, un “confine rigido” è un taglio a una storia completamente diversa: immagina se la palla battuta fosse immediatamente seguita da un taglio a una pubblicità.
Jie Zheng, Ph.D., borsista post-dottorato presso il Children’s Hospital di Boston e primo autore dello studio, ha spiegato la differenza fondamentale tra i due confini.
“Si tratta di una nuova scena all’interno della stessa storia o stiamo guardando una storia completamente diversa? Quanto cambia la narrazione da una clip all’altra determina il tipo di confine cognitivo”, ha affermato Zheng.
I ricercatori hanno registrato l’attività cerebrale dei partecipanti mentre guardavano i video e hanno notato due distinti gruppi di cellule che hanno risposto a diversi tipi di confini aumentando la loro attività. Un gruppo, chiamato “cellule di confine” è diventato più attivo in risposta a un confine morbido o rigido. Un secondo gruppo, denominato “celle di eventi”, ha risposto solo a limiti rigidi. Ciò ha portato alla teoria secondo cui la creazione di una nuova memoria si verifica quando c’è un picco nell’attività sia delle celle di confine che di quelle degli eventi, che è qualcosa che si verifica solo seguendo un confine rigido.
Un’analogia con il modo in cui i ricordi possono essere archiviati e accessibili nel cervello è il modo in cui le foto vengono archiviate sul telefono o sul computer. Spesso le foto vengono raggruppate automaticamente in eventi in base a quando e dove sono state scattate e poi visualizzate come foto chiave di quell’evento. Quando tocchi o fai clic su quella foto, puoi approfondire quell’evento specifico.
“Una risposta al confine può essere pensata come la creazione di un nuovo evento fotografico”, ha affermato il dott. Rutishauser. “Man mano che costruisci la memoria, è come se nuove foto venissero aggiunte a quell’evento. Quando si verifica un confine rigido, quell’evento viene chiuso e ne inizia uno nuovo. È possibile pensare a confini morbidi per rappresentare nuove immagini create all’interno di un singolo evento”.
I ricercatori hanno quindi esaminato il recupero della memoria e il modo in cui questo processo si collega all’attivazione delle cellule di confine e degli eventi. Hanno teorizzato che il cervello utilizza i picchi di confine come indicatori per “scorrere” i ricordi passati, proprio come le foto chiave vengono utilizzate per identificare gli eventi. Quando il cervello trova uno schema di accensione che sembra familiare, “apre” quell’evento.
Sono stati utilizzati due diversi test di memoria progettati per studiare questa teoria. Nella prima, ai partecipanti è stata mostrata una serie di immagini fisse e gli è stato chiesto se provenissero da una scena dei filmati che avevano appena visto. I partecipanti allo studio avevano maggiori probabilità di ricordare le immagini che si sono verificate subito dopo un confine rigido o morbido, ovvero quando sarebbe stata creata una nuova “foto” o “evento”.
Il secondo test consisteva nel mostrare coppie di immagini tratte da filmati che avevano appena visto. Ai partecipanti è stato quindi chiesto quale delle due immagini fosse apparsa per prima. Si è scoperto che avevano molto più difficoltà a scegliere l’immagine corretta se i due si verificavano su lati diversi di un confine rigido, forse perché erano stati collocati in “eventi” diversi.
Questi risultati forniscono uno sguardo su come il cervello umano crea, immagazzina e accede ai ricordi. Poiché la segmentazione degli eventi è un processo che può essere influenzato nelle persone che convivono con disturbi della memoria, queste intuizioni potrebbero essere applicate allo sviluppo di nuove terapie.
In futuro, il Dr. Rutishauser e il suo team hanno in programma di esaminare due possibili strade per sviluppare terapie legate a questi risultati. In primo luogo, i neuroni che utilizzano la dopamina chimica, che sono i più noti per il loro ruolo nei meccanismi di ricompensa, possono essere attivati da cellule di confine e di evento, suggerendo un possibile bersaglio per aiutare a rafforzare la formazione dei ricordi.
In secondo luogo, uno dei normali ritmi interni del cervello, noto come ritmo theta, è stato collegato all’apprendimento e alla memoria. Se le celle dell’evento si attivavano a tempo con quel ritmo, i partecipanti avrebbero avuto più facilità a ricordare l’ordine delle immagini che erano state mostrate. Poiché la stimolazione cerebrale profonda può influenzare i ritmi theta, questa potrebbe essere un’altra strada per il trattamento di pazienti con determinati disturbi della memoria.
Questo progetto è stato reso possibile da un consorzio multiistituzionale attraverso il programma Research on Humans della NIH BRAIN Initiative. Le istituzioni coinvolte in questo studio erano il Cedars-Sinai Medical Center, il Children’s Hospital Boston (sito PI Gabriel Kreiman, Ph.D.) e il Toronto Western Hospital (sito PI Taufik Valiante, M.D., Ph.D.). Lo studio è stato finanziato dalla NIH BRAIN Initiative (NS103792, NS117839), dalla National Science Foundation e da Brain Canada.
