Ricerche

Uno studio dell'UCLA Health pubblicato su Nature Communications ha scoperto un nuovo tipo di stato di memoria noto come 'inattività spontanea persistente'

Ricercatori della Università della California di Los Angeles hanno scoperto un meccanismo che crea ricordi riducendo al contempo il dispendio metabolico, anche durante il sonno. Questa memoria efficiente è basata su una parte del cervello che è cruciale per l'apprendimento e la memoria e dove parte il morbo di Alzheimer (MA).

Sembra familiare: vai in cucina per prendere qualcosa, ma quando arrivi lì, dimentichi quello che volevi fare. Questo dipende da un difetto della tua memoria di lavoro, definita come ricordare alcune informazioni per un breve periodo mentre fai altre cose. Usiamo la memoria di lavoro praticamente sempre. I pazienti con MA o altra demenza hanno deficit di memoria di lavoro, che sono evidenti anche nel lieve deterioramento cognitivo (MCI).

Pertanto, si sono dedicati notevoli sforzi per comprendere i meccanismi con cui le vaste reti di neuroni nel cervello creano la memoria di lavoro. Durante le attività della memoria di lavoro, lo strato più esterno del cervello (neocorteccia) invia informazioni sensoriali alle regioni più profonde del cervello, compresa quella centrale chiamata corteccia entorinale, che è cruciale per la formazione dei ricordi.

I neuroni nella corteccia entorinale mostrano una serie complessa di risposte, che sta confondendo gli scienziati da lungo tempo e ha portato al premio Nobel in medicina nel 2014, ma i meccanismi che regolano questa complessità sono tuttora sconosciuti. La corteccia entorinale è dove inizia il MA.

"È quindi fondamentale capire quale tipo di magia accade nella rete cortico-entorinale, quando la neocorteccia comunica qualcosa alla corteccia entorinale che la trasforma in memoria di lavoro. Potrebbe fornire una diagnostica precoce del MA, delle demenze correlate e del MCI", ha affermato l'autore senior Mayank Mehta, neurofisico e capo del W. M. Keck Center for Neurofisics e del Centro Fisica della Vita dell'UCLA.

Per sbrogliare questo dilemma, Mehta e i suoi coautori hanno ideato un nuovo approccio: un 'microscopio matematico'. Nel mondo della fisica, i modelli matematici sono molto usati, fin da Keplero, Newton ed Einstein, per rivelare cose straordinarie che non abbiamo mai visto o nemmeno immaginato, come il funzionamento interno delle particelle subatomiche e l'interno di un buco nero.

I modelli matematici sono usati anche nelle scienze cerebrali, ma le loro previsioni non sono prese sul serio come la fisica. Il motivo è che in fisica, le previsioni delle teorie matematiche sono testate quantitativamente, non solo qualitativamente. Tali test sperimentali quantitativamente precisi delle teorie matematiche sono largamente ritenute impossibili in biologia perché il cervello è molto più complesso del mondo fisico.

Le teorie matematiche in fisica sono molto semplici, coinvolgendo pochissimi parametri liberi e quindi test sperimentali precisi. Al contrario, il cervello ha miliardi di neuroni e trilioni di connessioni, un incubo matematico, per non parlare di un microscopio molto preciso.

“Per affrontare questa sfida apparentemente impossibile di elaborare una semplice teoria che può spiegare i dati sperimentali della dinamica della memoria in vivo con elevata precisione, abbiamo ipotizzato che il dialogo cortico-entorinale e la magia della memoria si verificano anche quando i soggetti dormono o sono anestetizzati", ha affermato il dott. Krishna Choudhary, primo autore dello studio. "Proprio come un'auto si comporta come un'auto quando è ferma o va a 100 all'ora".

I ricercatori dell'UCLA hanno quindi fatto un'altra grande ipotesi: la dinamica dell'intera corteccia e della corteccia entorinale durante il sonno o l'anestesia può essere colta solo da due neuroni. Queste ipotesi hanno ridotto il problema dei miliardi di interazioni dei neuroni a due sole variabili libere: la forza del segnale in entrata dalla neocorteccia alla corteccia entorinale e la resistenza delle connessioni ricorrenti all'interno della corteccia entorinale. Benché questo renda il problema matematicamente trattabile, solleva la domanda ovvia: è vero?

"Se testiamo quantitativamente la nostra teoria sui dati in vivo, allora questi sono solo giochi matematici interessanti, non una solida comprensione della magia che produce la memoria", ha detto Mehta.

I test sperimentali cruciali di questa teoria hanno richiesto esperimenti sofisticati dal dott. Thomas Hahn, un coautore che ora è professore alla Basilea University e psicologo clinico.

“La corteccia entorinale è un circuito complicato. Per testare davvero la teoria, avevamo bisogno di tecniche sperimentali che non solo potessero misurare l'attività neurale con alta precisione, ma anche determinare l'identità anatomica precisa del neurone", ha affermato Hahn.

Hahn e il dott. Sven Berberich, anch'egli coautore, hanno misurato il potenziale di membrana dei neuroni identificati dalla corteccia entorinale in vivo, usando la tecnica 'patch clamp' ('blocco di area') su cellule intere e quindi hanno usato tecniche anatomiche per identificare il neurone. Allo stesso tempo hanno misurato l'attività della corteccia parietale, una parte della neocorteccia che invia segnali alla corteccia entorinale.

"Una teoria matematica e sofisticati dati in vivo sono necessari e fantastici, ma abbiamo dovuto affrontare un'altra sfida: come si può mappare questa semplice teoria su dati neurali complessi?" ha detto Mehta.

"Ciò ha richiesto un periodo di sviluppo prolungato, per generare un 'microscopio matematico' in grado di rivelare direttamente i meccanismi interni dei neuroni mentre creano la memoria", ha affermato Choudhary. "Per quanto ne sappiamo, questo non è mai stato fatto prima".

Gli autori hanno osservato che, come un'onda dell'oceano si forma e poi si schianta su un litorale, i segnali della neocorteccia oscillano tra gli stati acceso e spento a intervalli, mentre una persona o un animale dorme. Nel frattempo, la corteccia entorinale si comporta come un nuotatore nell'acqua che può salire quando l'onda si forma e poi scendere quando si ritira. I dati hanno mostrato questo e anche il modello lo ha colto. Ma usando questa semplice corrispondenza il modello ha preso una vita propria e ha scoperto un nuovo tipo di stato di memoria chiamato 'inattività spontanea persistente', ha detto Mehta.

"È come se arrivasse un'onda e la corteccia entorinale dicesse: 'Non c'è onda! Ricorderò che di recente non c'era l'onda, quindi ignorerò questa onda attuale e non risponderò affatto'. Questa è inattività persistente", ha detto Mehta. "In alternativa, l'attività persistente insorge quando l'onda corticale scompare ma i neuroni entorinali ricordano che c'era un'onda appena prima e continuano ad elaborare".

Mentre molte teorie della memoria di lavoro avevano mostrato la presenza di attività persistenti, che gli autori hanno trovato, l'inattività persistente era qualcosa che il modello prevedeva e non era mai stato visto prima.

"La parte interessante dell'inattività persistente è che non impiega praticamente alcuna energia, a differenza dell'attività persistente, che ne richiede molta", ha affermato Mehta, "ancora meglio, la combinazione tra attività e inattività persistenti raddoppia la capacità della memoria, riducendo allo stesso tempo alla metà il dispendio di energia metabolica".

"Tutto ciò sembrava troppo bello per essere vero, quindi abbiamo davvero spinto il nostro microscopio matematico al limite, a un regime in cui non è stato progettato per funzionare", ha affermato il dott. Choudhary. "Se il microscopio fosse giusto, continuerebbe a funzionare perfettamente anche in situazioni insolite".

Mehta ha continuato:

“Il microscopio matematico ha fatto una dozzina di previsioni, non solo sull'entorinale ma anche su molte altre regioni cerebrali. Con nostra grande sorpresa, il microscopio matematico ha funzionato ogni volta. Una tale corrispondenza quasi perfetta tra le previsioni di una teoria matematica e gli esperimenti non ha precedenti nelle neuroscienze.

"Questo modello matematico che è perfettamente abbinato agli esperimenti è un nuovo microscopio. Rivela qualcosa che nessun microscopio esistente potrebbe vedere senza di esso. Non importa quanti neuroni hai ripreso, non avrebbe rivelato nulla di tutto ciò. In effetti, le carenze metaboliche sono una caratteristica comune di molti disturbi della memoria".

Il laboratorio di Mehta sta ora seguendo questo lavoro per capire come si forma la memoria di lavoro complessa e cosa va storto nella corteccia entorinale nel MA, nella demenza e e in altri disturbi della memoria.