Kamran Diba, anestesista dell’Università del Michigan, e colleghi hanno scoperto che durante il sonno, alcuni neuroni non solo riproducono il passato recente, ma anticipano anche l’esperienza futura.
Per monitorare dinamicamente la sintonizzazione spaziale dei neuroni durante gli stati offline, Maboudi et al. hanno utilizzato un nuovo approccio di apprendimento bayesiano basato sulla posizione media decodificata attivata dal picco nelle registrazioni d’insieme di ratti in movimento libero.
“Alcuni neuroni si attivano in risposta a stimoli specifici”, ha detto il dottor Diba.“I neuroni nella corteccia visiva si attivano quando vengono presentati con lo stimolo visivo appropriato. I neuroni che stiamo studiando mostrano le preferenze di luogo”. Nella loro ricerca, il dottor Diba e i coautori miravano a studiare il processo attraverso il quale questi neuroni specializzati producono una rappresentazione del mondo dopo una nuova esperienza. Nello specifico, hanno tracciato le increspature delle onde acute, un modello di attivazione neuronale noto per svolgere un ruolo nel consolidamento di nuovi ricordi e, più recentemente, dimostrato anche per contrassegnare quali parti di una nuova esperienza devono essere archiviate come ricordi. “Per la prima volta in questo articolo, abbiamo osservato come questi singoli neuroni stabilizzano le rappresentazioni spaziali durante i periodi di riposo. Abbiamo immaginato che alcuni neuroni potessero cambiare le loro rappresentazioni, riflettendo l’esperienza che tutti abbiamo avuto di svegliarci con una nuova comprensione di un problema. Dimostrare questo, tuttavia, ha richiesto di monitorare il modo in cui i singoli neuroni raggiungono la sintonizzazione spaziale, cioè il processo attraverso il quale il cervello impara a navigare in un nuovo percorso o ambiente”. I ricercatori hanno addestrato i ratti a correre avanti e indietro su una pista rialzata con ricompensa liquida alle due estremità e hanno osservato come i singoli neuroni nell’ippocampo degli animali si “attivavano” nel processo.
Calcolando un tasso medio di picchi su molti giri avanti e indietro, i ricercatori sono stati in grado di stimare il campo di posizionamento dei neuroni, o l’area dell’ambiente a cui un dato neurone “si preoccupava” di più. “Il punto critico qui è che i campi geografici vengono stimati utilizzando il comportamento dell’animale”, ha affermato il dott. Kemere. “Ho pensato a lungo a come valutare le preferenze dei neuroni al di fuori del labirinto, ad esempio durante il sonno. Abbiamo affrontato questa sfida mettendo in relazione l’attività di ogni singolo neurone con l’attività di tutti gli altri neuroni”. Gli scienziati hanno anche sviluppato un approccio statistico di apprendimento automatico che ha utilizzato gli altri neuroni esaminati per mappare una stima di dove l’animale sognava di essere. Successivamente hanno utilizzato quelle posizioni sognate per stimare il processo di sintonizzazione spaziale per ciascun neurone nei loro set di dati. “La capacità di tracciare le preferenze dei neuroni anche senza uno stimolo è stata per noi una svolta importante”, ha affermato il dott. Diba. Il metodo ha confermato che le rappresentazioni spaziali che si formano durante l’esperienza di un nuovo ambiente sono, per la maggior parte dei neuroni, stabili per diverse ore di sonno post-esperienza. Ma come avevano anticipato gli autori, c’era di più nella storia. “La cosa che mi è piaciuta di più di questa ricerca e il motivo per cui ero così entusiasta è che non è necessariamente vero che durante il sonno l’unica cosa che fanno questi neuroni è stabilizzare il ricordo dell’esperienza. Si scopre che alcuni neuroni finiscono per fare qualcos’altro”, ha detto il dottor Kemere. “Possiamo vedere questi altri cambiamenti che si verificano durante il sonno, e quando rimettiamo gli animali nell’ambiente una seconda volta, possiamo verificare che questi cambiamenti riflettono davvero qualcosa che è stato appreso mentre gli animali dormivano. È come se la seconda esposizione allo spazio avvenisse effettivamente mentre l’animale sta dormendo. Ciò è significativo perché costituisce un’osservazione diretta della neuroplasticità come avviene durante il sonno. Sembra che la plasticità o il ricablaggio nel cervello richieda tempi molto rapidi”, ha detto il dottor Diba. Questa ricerca è descritta in un articolo sulla rivista Nature .
