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Scoperto perchè il cervello non elabora mai lo stesso input allo stesso modo

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Il cervello non elabora mai le stesse informazioni allo stesso modo. Gli scienziati hanno scoperto il perché e come funziona l'elaborazione. Un ruolo decisivo gioca uno stato critico delle reti neuronali.

Scoperto perchè il cervello non elabora mai lo stesso input allo ste

Il fruscìo delle foglie, una pioggerellina leggera alla finestra, un ticchettio silenzioso di orologio - suoni ovattati, appena sopra la soglia dell'udito. Un momento li percepiamo, il prossimo no, anche se noi o i suoni non sembriamo cambiare. Molti studi hanno dimostrato che non elaboriamo mai uno stimolo in arrivo, sia esso un suono, un'immagine o un tocco, allo stesso modo.

Questo è vero, anche se lo stimolo è esattamente lo stesso. Ciò si verifica perché l'impatto di uno stimolo, sulle regioni del cervello che lo elaborano, dipende dallo stato momentaneo delle reti di queste regioni. Tuttavia, i fattori che influenzano e sono alla base del costante stato fluttuante delle reti e se questi stati siano casuali o seguano un ritmo, era precedentemente ignoto.

Ora, gli scienziati del Max Planck Institute for Human Cognitive and Brain Sciences (MPI CBS) di Lipsia, Germania, hanno scoperto che la sensibilità dello stato della rete, nel momento in cui le informazioni relative allo stimolo raggiungono la corteccia cerebrale, influenza quanto fortemente il il cervello reagisce allo stimolo.

A seconda dello stato della rete, alcune cellule nervose in questa cosiddetta corteccia somatosensoriale primaria possono essere più o meno "eccitabili", modellando la seguente elaborazione dello stimolo nel cervello.

Ciò significa che la risposta del cervello è già modulata all'ingresso della corteccia cerebrale e dipende più che da come lo stimolo viene valutato a livelli più alti, dai processi che riesce a innescare a valle.

"C'è sempre una certa quantità di attività tra i neuroni di una rete, anche se apparentemente non ci sono influenze esterne su di noi. Quindi, il sistema non è mai completamente immobile o inattivo", spiega Tilman Stephani, dottorando presso la CBS MPI e primo autore dello studio, che è stato ora pubblicato sul Journal of Neuroscience.

Piuttosto, l'informazione sorge costantemente, dall'interno del corpo sul battito cardiaco, sulla digestione o sulla respirazione, informazioni sulla nostra posizione nello spazio, sulla temperatura e sui pensieri generati internamente.

Inoltre, l'attività neuronale intrinseca si verifica anche se le reti neuronali sono isolate da qualsiasi input. Ciò influenza costantemente l'eccitabilità di varie reti cerebrali.

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"Le dinamiche dei processi interni sono quindi associate all'eccitabilità del sistema e quindi anche alla risposta allo stimolo", afferma Stephani. "Quindi, il cervello non sembra funzionare come un computer in cui le stesse informazioni in arrivo significano sempre la stessa reazione."

Si scopre che le fluttuazioni dell'eccitabilità corticale non si verificano completamente in modo casuale ma mostrano piuttosto un certo schema temporale: l'eccitabilità in un momento dipende dagli stati di rete precedenti e influenza quelli successivi.

Gli scienziati si riferiscono a questo come dipendenza temporale a lungo raggio o autocorrelazione di lunga durata.

Il fatto che l'eccitabilità corticale vari in questo modo speciale suggerisce che le reti neuronali sono in bilico in uno stato cosiddetto "critico", dove esiste un delicato equilibrio tra eccitazione e inibizione della rete.

Precedenti studi teorici ed empirici hanno indicato che tale "criticità" può essere un principio fondamentale alla base del funzionamento del cervello in cui la capacità e la trasmissione delle informazione vengono massimizzate.

Stephani e colleghi ora forniscono la prova che questo principio può governare la variabilità delle risposte cerebrali sensoriali anche nel cervello umano. Presumibilmente, questo funge da meccanismo adattivo del cervello per far fronte alla varietà di informazioni che arrivano costantemente dall'ambiente.

Un singolo stimolo non dovrebbe né eccitare l'intero sistema in una volta, né svanire troppo rapidamente.

Tuttavia, non è ancora noto se una maggiore eccitabilità porti a un'esperienza più saliente.

In altre parole, i partecipanti allo studio percepiscono l'intensità degli stimoli diversa a seconda dell'eccitabilità istantanea? Questo è ora in fase di test in un secondo studio. "Ma anche altri processi possono svolgere un ruolo qui", spiega Stephani. "Attenzione, per esempio. Se lo dirigi a qualcos'altro, può ancora verificarsi una prima, forte risposta cerebrale. Tuttavia, i processi cerebrali più elevati a valle possono impedire che venga percepito consapevolmente."

Gli esperimenti sono stati condotti esaminando la risposta del cervello dei partecipanti a migliaia di piccole correnti elettriche successive. Questi stimoli sono stati applicati agli avambracci dei partecipanti per stimolare il nervo principale nel braccio. Questo, a sua volta, ha prodotto una reazione iniziale 20 millisecondi dopo in una specifica area del cervello, la corteccia somatosensoriale. Sulla base dei modelli EEG evocati, sono stati in grado di vedere con quanta facilità ogni singolo stimolo eccitava il cervello.

Reference:

T. Stephani, G. Waterstraat, S. Haufe, G. Curio, A. Villringer, V. V. Nikulin. Temporal signatures of criticality in human cortical excitability as probed by early somatosensory responses. The Journal of Neuroscience, 2020; JN-RM-0241-20 DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0241-20.2020

 


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