Comprendere come il cervello umano coordini le informazioni sensoriali e il movimento è una delle grandi sfide delle neuroscienze. La corteccia cerebrale, responsabile di funzioni quali il ragionamento, il processo decisionale e il controllo volontario dei movimenti, è stata oggetto di numerosi studi volti a decifrare i modelli di attività neuronale che rendono possibili tali capacità.
Un modello che sfida la teoria dominante
Un recente studio pubblicato su Nature Neuroscience da ricercatori dell’Istituto di Neuroscienze di Parigi-Saclay (NeuroPSI) propone una spiegazione alternativa sull’organizzazione della corteccia cerebrale.
Il lavoro sfida la teoria predominante su come vengono generati i modelli ricorrenti di attività neuronale, suggerendo che la chiave non sta nei gruppi di neuroni fortemente connessi, ma in un’architettura basata su moduli e neuroni nucleo che canalizzano il flusso di informazioni.
Secondo Nature Neuroscience, la scoperta principale indica che i modelli ripetitivi di attività nella corteccia cerebrale non dipendono dall’esistenza di gruppi di neuroni interconnessi che agiscono come unità di “completamento dei modelli”.
Al contrario, i ricercatori Domenico Guarino, Anton Flipchuk e Alain Destexhe hanno identificato che la corteccia è organizzata in moduli collegati a neuroni nucleari, che funzionano come nodi ad alto flusso di informazioni. Gli autori affermano che “questi schemi riproducibili non coinvolgono neuroni fortemente interconnessi”, il che rappresenta un cambiamento di paradigma rispetto alla teoria tradizionale.
La teoria degli attrattori nella spiegazione classica
Per decenni, la spiegazione dominante dei modelli ricorrenti di attività neuronale si basava sulla teoria degli “attrattori”. Questo modello, ispirato alla fisica, postulava che alcuni gruppi di neuroni, essendo fortemente interconnessi tra loro, potessero riattivare modelli completi di attività anche quando solo una parte del gruppo era attivata.
In questo modo, la dinamica degli attrattori spiegava la tendenza del cervello a tornare a stati di attività stabili e ripetitivi, considerati fondamentali per la coordinazione sensomotoria.
Il nuovo modello proposto dal team di NeuroPSI, presentato su Nature Neuroscience, introduce l’idea che la corteccia cerebrale sia composta da moduli gerarchici, ciascuno collegato a neuroni nucleari che fungono da centri di distribuzione delle informazioni.
Questi neuroni nucleari, situati nelle interfacce tra i moduli, canalizzano l’attività senza presentare le caratteristiche strutturali delle unità di completamento dei modelli descritte nella teoria degli attrattori.
Gli autori spiegano che “le reti corticali mostrano una modularità gerarchica, con neuroni nucleari che agiscono come nodi ad alto flusso di informazioni nelle interfacce dei moduli”.
Metodologia e analisi dei dati
Per giungere a queste conclusioni, i ricercatori hanno analizzato diversi database pubblici sull’attività cerebrale, utilizzando tecniche avanzate di imaging, microscopia e registrazione dell’attività elettrica.
Tra i set di dati utilizzati figurano quelli del progetto MICrONS, dell’Allen Brain Observatory e dei laboratori Goard, Svoboda e CortexLab. L’analisi ha incluso l’uso di immagini a due fotoni, elettrofisiologia e microscopia elettronica, che hanno permesso di mappare i modelli di attività e le connessioni neuronali con grande precisione.
I risultati hanno mostrato che la modularità e la connettività dipendente dalla distanza spiegano meglio la comparsa di modelli ricorrenti rispetto all’esistenza di gruppi di neuroni fortemente interconnessi.
Il team ha anche utilizzato modelli computazionali per simulare reti neuronali ed esplorare l’origine dei modelli osservati. Gli esperimenti hanno dimostrato che la connettività dipendente dalla distanza è sufficiente per generare la modularità e gli eventi transitori riproducibili nella corteccia.
Portata e implicazioni della scoperta
Le implicazioni di questo lavoro, secondo Nature Neuroscience, sono ampie. Se questo nuovo modello fosse convalidato, potrebbe trasformare la comprensione dei meccanismi alla base della coordinazione sensomotoria e aprire nuove strade per lo studio dei disturbi neurologici caratterizzati da alterazioni in questi processi.
Inoltre, il modello potrebbe ispirare lo sviluppo di reti neurali artificiali e modelli computazionali più fedeli all’organizzazione cerebrale.
Come prossimi passi, gli autori suggeriscono che future ricerche ed esperimenti potrebbero confermare la validità di questo modello, consentendo di approfondire la conoscenza di come il cervello coordina le informazioni sensoriali e il movimento.
Questo progresso, pubblicato su Nature Neuroscience, offre una prospettiva rinnovata sulla struttura e la dinamica dell’attività corticale, sottolineando l’importanza della modularità e della funzione dei neuroni nucleari nell’organizzazione cerebrale.
