Scoperto meccanismo efficiente che crea ricordi anche durante il sonno


Riepilogo: I ricercatori dell'UCLA Health, guidati dal neurofisico Mayank Mehta, hanno scoperto un nuovo meccanismo che ottimizza l'elaborazione della memoria nella corteccia entorinale del cervello, cruciale per l'apprendimento e la memoria, anche durante il sonno. Questa regione è anche il luogo in cui tipicamente inizia la malattia di Alzheimer. Il loro studio, pubblicato nel , introduce un “microscopio matematico” che semplifica le complesse interazioni neurali del cervello in un modello che coinvolge solo due neuroni. Questo modello ha previsto con successo nuovi tipi di stati della memoria, riducendo significativamente il costo metabolico della memoria e migliorandone al tempo stesso la capacità, e potrebbe potenzialmente far avanzare la diagnosi precoce dell'Alzheimer e delle demenze correlate.

Punti chiave:

  • I ricercatori dell’UCLA hanno sviluppato un “microscopio matematico”, semplificando la complessità del cervello in un modello a due neuroni per rivelare nuovi tipi di stati di memoria nella corteccia entorinale, migliorando la capacità di memoria e riducendo i costi metabolici.
  • Lo studio ha identificato un nuovo stato di memoria, l’inattività persistente, che consente al cervello di creare ricordi con un’energia minima, raddoppiando la capacità di memoria e dimezzando il costo metabolico.
  • Comprendere la formazione della memoria nella corteccia entorinale, dove tipicamente inizia l'Alzheimer, potrebbe fornire strumenti diagnostici precoci e nuove informazioni sulla demenza e sul deterioramento cognitivo lieve.

I ricercatori dell'UCLA Health hanno scoperto un meccanismo che crea ricordi riducendo i costi metabolici, anche durante il sonno. Questa memoria efficiente si verifica in una parte del cervello cruciale per l'apprendimento e la memoria e dove inizia la malattia di Alzheimer.

La scoperta è pubblicata in .

Comprendere la memoria di lavoro e i suoi deficit

Ti suona familiare: vai in cucina a prendere qualcosa, ma quando arrivi lì, dimentichi quello che volevi. Questo significa che la tua memoria di lavoro sta fallendo. La memoria di lavoro è definita come il ricordare alcune informazioni per un breve periodo mentre si fanno altre cose. Usiamo la memoria di lavoro praticamente sempre.

I pazienti con Alzheimer e demenza hanno deficit di memoria di lavoro e si manifestano anche nel lieve deterioramento cognitivo (MCI). Pertanto, sono stati dedicati sforzi considerevoli alla comprensione dei meccanismi attraverso i quali le vaste reti di neuroni nel cervello creano la memoria di lavoro.

Durante i compiti di memoria di lavoro, lo strato più esterno del cervello, noto come neocorteccia, invia informazioni sensoriali a regioni più profonde del cervello, inclusa una regione centrale chiamata corteccia entorinale, che è cruciale per la formazione dei ricordi. I neuroni nella corteccia entorinale mostrano una complessa serie di risposte, che hanno lasciato perplessi gli scienziati per molto tempo e hanno portato al Premio Nobel per la medicina nel 2014, ma i meccanismi che governano questa complessità sono sconosciuti. La corteccia entorinale è il luogo in cui inizia a formarsi la malattia di Alzheimer.

“È quindi fondamentale capire che tipo di magia avviene nella rete cortico-entorinale quando la neocorteccia parla alla corteccia entorinale che la trasforma in memoria di lavoro. Potrebbe fornire una diagnosi precoce della malattia di Alzheimer e della demenza correlata, nonché di un lieve deterioramento cognitivo”, afferma l'autore corrispondente Mayank MehtaPhD, neurofisico e capo del Centro WM Keck di Neurofisica e il Centro per la Fisica della Vita dell'UCLA, in un comunicato.

La “magia della memoria” anche durante il sonno

Per risolvere questo problema, Mehta e i suoi coautori hanno ideato un nuovo approccio: un “microscopio matematico”.

Nel mondo della fisica, i modelli matematici sono comunemente usati, da Keplero a Newton ed Einstein, per rivelare cose sorprendenti 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 vengono utilizzati anche nelle scienze del cervello, ma le loro previsioni non vengono prese sul serio are available fisica. Il motivo è che in fisica le previsioni delle teorie matematiche vengono verificate quantitativamente, non solo qualitativamente.

Si ritiene comunemente che tali test sperimentali quantitativamente precisi delle teorie matematiche siano irrealizzabili in biologia perché il cervello è molto più complesso del mondo fisico. Le teorie matematiche in fisica sono molto semplici, implicano 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 altamente preciso.

“Per affrontare questa sfida apparentemente impossibile di ideare una teoria semplice che possa ancora spiegare i dati sperimentali delle dinamiche della memoria in vivo con alta precisione, abbiamo ipotizzato che il dialogo cortico-entorinale e la magia della memoria si verificheranno anche quando i soggetti dormono, o anestetizzato”, afferma Krishna Choudhary, PhD, autore principale dello studio, in un comunicato. “Proprio come un'auto si comporta come un'auto quando gira al minimo o va a 70 miglia all'ora.”

Ridurre la complessità a due neuroni

I ricercatori dell’UCLA hanno poi fatto un’altra grande ipotesi: la dinamica dell’intera corteccia e della corteccia entorinale durante il sonno o l’anestesia può essere catturata da soli due neuroni. Questi presupposti hanno ridotto il problema delle interazioni di miliardi di neuroni a sole due variabili libere: la forza dell'input dalla neocorteccia alla corteccia entorinale e la forza delle connessioni ricorrenti all'interno della corteccia entorinale. Sebbene ciò renda il problema matematicamente trattabile, solleva l’ovvia domanda: è vero?

“Se testiamo quantitativamente la nostra teoria sui dati in vivo, allora questi sono solo interessanti giochi matematici, non una solida comprensione della magia della creazione di memoria”, afferma Mehta in un comunicato.

Le prove sperimentali cruciali di questa teoria richiedevano sofisticati esperimenti da parte di Tommaso HahnPhD, coautore che ora è professore all'Università di Basilea e psicologo clinico.

“La corteccia entorinale è un circuito complicato. Per testare realmente la teoria avevamo bisogno di tecniche sperimentali in grado non solo di misurare l’attività neurale con elevata precisione, ma anche di determinare la precisa identità anatomica del neurone”, afferma Hahn in un comunicato.

La teoria della mappatura dell'attività neurale

Hahn e Sven Berberich, PhD, anch'egli coautore, ha misurato il potenziale di membrana dei neuroni identificati dalla corteccia entorinale in vivo utilizzando la tecnica del patch clamp a cellula intera e quindi ha utilizzato tecniche anatomiche per identificare il neurone. Contemporaneamente hanno misurato l’attività della corteccia parietale, una parte della neocorteccia che invia input alla corteccia entorinale.

“Una teoria matematica e sofisticati dati in vivo sono necessari e interessanti, ma abbiamo dovuto affrontare un’altra sfida: come si può mappare questa semplice teoria su dati neurali complessi?” dice Mehta in un comunicato.

Choudhary aggiunge in un comunicato: “Ciò ha richiesto un lungo periodo di sviluppo, per generare un 'microscopio matematico' in grado di rivelare direttamente il funzionamento interno dei neuroni mentre creano memoria. Per quanto ne sappiamo, questo non è mai stato fatto prima”.

Gli autori hanno osservato che, come un’onda oceanica che si forma e poi si infrange sulla costa, i segnali provenienti dalla neocorteccia oscillano tra gli stati acceso e spento a intervalli mentre una persona o un animale dorme. Nel frattempo, la corteccia entorinale si comportava come un nuotatore nell’acqua che può muoversi verso l’alto quando l’onda si forma e poi verso il basso quando si ritira. I dati lo hanno mostrato e anche il modello lo ha catturato. Ma utilizzando questa semplice corrispondenza il modello ha poi preso vita propria e ha scoperto un nuovo tipo di stato di memoria noto come inattività spontanea persistente, ha affermato Mehta.

“È come se arrivasse un'onda e la corteccia entorinale dicesse: 'Non c'è nessuna onda! Mi ricorderò che recentemente non c'è stata alcuna onda, quindi ignorerò l'onda attuale e non risponderò affatto.' Questa è inattività persistente”, afferma Mehta in un comunicato. “In alternativa, l'attività persistente si verifica quando l'onda corticale scompare, ma i neuroni entorinali ricordano che c'è stata un'onda molto recentemente e continuano ad avanzare.”

Successo del microscopio matematico

Sebbene molte teorie sulla memoria di lavoro avessero mostrato la presenza di un’attività persistente, cosa che gli autori hanno scoperto, l’inattività persistente era qualcosa che il modello aveva previsto e non era mai stata vista prima.

“La parte interessante dell'inattività persistente è che praticamente non richiede energia, a differenza dell'attività persistente, che richiede molta energia”, afferma Mehta in un comunicato, “ancora meglio, la combinazione di attività persistente e inattività più che raddoppia la capacità di memoria riducendo della metà il costo energetico metabolico.

“Tutto questo sembrava troppo bello per essere vero, quindi abbiamo davvero spinto il nostro microscopio matematico al limite, in un regime in cui non era progettato per funzionare”, afferma Choudhary in un comunicato. “Se il microscopio fosse corretto, continuerebbe a funzionare perfettamente anche in situazioni insolite.”

“Il microscopio matematico ha fatto una dozzina di previsioni, non solo sull’entorinale ma anche su molte altre regioni del cervello. Con nostra totale sorpresa, il microscopio matematico ha funzionato ogni volta”, continua Mehta in un comunicato. Una corrispondenza così quasi perfetta tra le previsioni di una teoria matematica e gli esperimenti non ha precedenti nel campo delle neuroscienze. Questo modello matematico che si adatta perfettamente agli esperimenti è un nuovo microscopio.

“Rivela qualcosa che nessun microscopio esistente potrebbe vedere senza di esso. Non importa quanti neuroni hai immaginato, non avrebbe rivelato nulla di tutto ciò. In effetti, i deficit metabolici sono una caratteristica comune di molti disturbi della memoria”.

Il laboratorio di Mehta sta ora proseguendo questo lavoro per capire come si forma la memoria di lavoro complessa e cosa va storto nella corteccia entorinale durante il morbo di Alzheimer, la demenza e altri disturbi della memoria.

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