Per tracciare la sintonizzazione spaziale dei neuroni in modo dinamico durante gli stati offline, Maboudi et al. hanno utilizzato un nuovo approccio di apprendimento bayesiano basato sulla posizione media decodificata con spike in registrazioni ensemble di ratti in movimento libero.
L’anestesista Kamran Diba e colleghi dell’Università del Michigan hanno scoperto che durante il sonno alcuni neuroni non solo riproducono il passato recente, ma anticipano anche le esperienze future.
“Alcuni neuroni si attivano in risposta a stimoli specifici“, ha detto il dottor Diba.
“I neuroni della corteccia visiva si attivano quando viene presentato lo stimolo visivo appropriato. I neuroni che stiamo studiando mostrano preferenze di luogo“.
Nella loro ricerca, il dottor Diba e i coautori hanno voluto studiare il processo con cui questi neuroni specializzati producono una rappresentazione del mondo dopo una nuova esperienza.
In particolare, hanno seguito le increspature delle onde taglienti, un modello di attivazione neuronale noto per il suo ruolo nel consolidamento dei nuovi ricordi e, più recentemente, per la sua capacità di identificare le parti di una nuova esperienza da immagazzinare come ricordi.
“Per la prima volta in questo lavoro abbiamo osservato come questi singoli neuroni stabilizzino le rappresentazioni spaziali durante i periodi di riposo“, ha dichiarato il dottor Caleb Kemere, neuroscienziato della Rice University.
“Abbiamo immaginato che alcuni neuroni potessero cambiare le loro rappresentazioni – riflettendo l’esperienza che tutti noi abbiamo avuto di svegliarci con una nuova comprensione di un problema”.
“Per dimostrarlo, però, era necessario tracciare il modo in cui i singoli neuroni raggiungono la sintonizzazione spaziale, cioè il processo con cui il cervello impara a navigare in un nuovo percorso o ambiente“.
I ricercatori hanno addestrato i topi a correre avanti e indietro su una pista rialzata con una ricompensa liquida alle due estremità e hanno osservato come i singoli neuroni nell’ippocampo degli animali “spike” durante il processo.
Calcolando il tasso medio di spike su molti giri avanti e indietro, i ricercatori sono stati in grado di stimare il campo di posizione dei neuroni, ovvero l’area dell’ambiente a cui un dato neurone “tiene” di più.
“Il punto cruciale è che i campi di località sono stimati utilizzando il comportamento dell’animale“, ha detto il dottor Kemere.
“Ho pensato a lungo a come valutare le preferenze dei neuroni al di fuori del labirinto, ad esempio durante il sonno“, ha aggiunto il dottor Diba.
“Abbiamo affrontato questa sfida mettendo in relazione l’attività di ogni singolo neurone con quella di tutti gli altri neuroni”.
Gli scienziati hanno anche sviluppato un approccio statistico di apprendimento automatico che ha utilizzato gli altri neuroni rilevati per tracciare una stima della posizione sognata dall’animale.
Hanno poi utilizzato queste posizioni sognate per stimare il processo di sintonizzazione spaziale di ciascun neurone nei loro set di dati.
“La capacità di tracciare le preferenze dei neuroni anche in assenza di uno stimolo è stata per noi una svolta importante“, ha detto il dottor 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 nelle diverse ore di sonno successive all’esperienza.
Ma, come avevano anticipato gli autori, c’era dell’altro.
“La cosa che più mi è piaciuta di questa ricerca e che mi ha entusiasmato è stata scoprire che non è detto che durante il sonno l’unica cosa che questi neuroni fanno è stabilizzare il ricordo dell’esperienza. È emerso 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 confermare che questi cambiamenti riflettono davvero qualcosa che è stato appreso mentre gli animali dormivano“.
“È come se la seconda esposizione allo spazio avvenisse mentre l’animale dorme“.
Questo è significativo perché costituisce un’osservazione diretta della neuroplasticità che avviene durante il sonno.
“Sembra che la plasticità o il ricablaggio del cervello richiedano tempi molto rapidi“, ha detto il dottor Diba.
Questa ricerca è descritta in un articolo pubblicato sulla rivista Nature.
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