Quando sogniamo ad occhi aperti, dobbiamo essere in grado di tornare sull’attenzione in un attimo. I ricercatori del Boston Children’s Hospital hanno scoperto come il nostro cervello può fare cose come reagire a una domanda quando sogniamo ad occhi aperti: l’attività di attivazione in una parte del cervello chiamata giro dentato ci mantiene concentrati su ciò che sta accadendo nel nostro ambiente. E il team ha scoperto che la stessa attività neurale aiuta anche nella formazione dei ricordi.
I risultati sono stati pubblicati su Nature.
L’attività del cervello
“Abbiamo trovato un meccanismo cerebrale per interrompere i periodi di vagabondaggio della mente e riallineare la ‘mappa cognitiva’ alla realtà”, afferma Jordan Farrell, Ph.D., ricercatore presso il FM Kirby Neurobiology Center e il Rosamund Stone Zander Translational Neuroscience Center. al Boston Children’s.
È noto che durante il sonno o i periodi di sogno ad occhi aperti, il nostro cervello riproduce eventi passati in una forma di attività sincronizzata nota come “ondulazione delle onde acute”. Ciò ci consente di consolidare i nostri ricordi.
Analizzando i dati di un modello murino , Farrell e colleghi del laboratorio di Ivan Soltesz, Ph.D., presso l’Università di Stanford hanno iniziato a esplorare un altro modello di attività neuronale poco conosciuto: picchi sincronizzati di attivazione nel giro dentato , parte dell’ippocampo.
Questi picchi, hanno scoperto, si verificano quando un cervello “offline” viene risvegliato. Possono aiutarci a elaborare rapidamente nuove informazioni e ad orientarci verso ciò che sta accadendo nel nostro ambiente.
Le punte dentate sembrano anche promuovere la memoria associativa , in cui uno stimolo sensoriale (ad esempio, una serie di forti segnali acustici) viene immagazzinato come memoria, così che arriviamo ad associare il rumore allo spegnimento di un allarme antincendio e alla possibile necessità di evacuare. .
Le increspature delle onde acute e le punte dentate possono avere ruoli complementari, dice Farrell, “Il cervello passa attraverso questi due stati”.
Questa nuova conoscenza sulle punte dentate potrebbe aprire finestre su alcuni disturbi neuropsichiatrici. Forse le punte dentate influenzano l’attenzione e l’eccitazione nelle persone con disturbo da deficit di attenzione/iperattività o disturbo da stress post-traumatico. O forse sono alterati nella malattia di Alzheimer, interrompendo la formazione di nuovi ricordi.
Farrell è più interessato all’epilessia, che è caratterizzata da picchi sincronizzati di eccessiva attivazione dei neuroni. Ha intenzione di studiare il ruolo delle punte dentate comprendendone meglio i meccanismi di base e quindi manipolando le reti neurali che controllano le punte dentate nel cervello dei topi epilettici. Spera anche di estendere lo studio ai bambini affetti da epilessia, in collaborazione con i medici del Boston Children’s.
“Nelle persone affette da epilessia , l’attività sincrona durante i picchi dentati potrebbe portare il cervello in uno stato patologico”, ipotizza Farrell. “Le punte dentate aggiungono una spinta extra al sistema.”
Sistema nel cervello utilizzato nell’elaborazione delle informazioni e nell’immagazzinamento dei ricordi
Un team di scienziati ha scoperto un sistema nel cervello utilizzato nell’elaborazione delle informazioni e nell’immagazzinamento dei ricordi, simile al modo in cui gli scambi ferroviari controllano la destinazione di un treno. I risultati offrono nuove informazioni su come funziona il cervello.
“I ricercatori hanno cercato di identificare circuiti neurali che hanno funzioni specializzate, ma ci sono semplicemente troppi compiti che il cervello svolge perché ciascun circuito abbia il proprio scopo”, spiega André Fenton, professore di scienze neurali alla New York University e autore senior dello studio, che appare sulla rivista Cell Reports . “I nostri risultati rivelano come lo stesso circuito assume più di una funzione.
Il cervello devia i ‘treni’ dell’attività neurale dalla codifica delle nostre esperienze al loro ricordo, dimostrando che gli stessi circuiti hanno un ruolo sia nell’elaborazione delle informazioni che nella memoria.”
Questa dinamica appena scoperta mostra come il cervello funzioni in modo più efficiente di quanto precedentemente realizzato.
“Quando lo stesso circuito svolge più di una funzione, diventano possibili interazioni sinergiche, creative ed economiche”, aggiunge Fenton.
Per esplorare il ruolo dei circuiti cerebrali, i ricercatori hanno esaminato l’ippocampo, una struttura cerebrale nota da tempo per svolgere un ruolo significativo nella memoria, nei topi. Hanno studiato il modo in cui l’ippocampo del topo passa dalla codifica della posizione attuale al ricordo di una posizione remota. Qui, i topi navigavano su una superficie e ricevevano un lieve shock se toccavano determinate aree, stimolando la codifica delle informazioni.
Quando successivamente i topi tornavano su questa superficie, evitavano l’area in cui avevano precedentemente ricevuto la scossa, prova che la memoria influenzava i loro movimenti.
L’analisi dell’attività neurale ha rivelato una commutazione nell’ippocampo. Nello specifico, gli scienziati hanno scoperto che un certo tipo di modello di attività nella popolazione di neuroni noto come picco dentato, che ha origine dalla corteccia entorinale mediale (DS M ), serviva a coordinare i cambiamenti nella funzione cerebrale.
“Gli scambi ferroviari controllano la destinazione di ogni treno, mentre le punte dentate commutano l’elaborazione delle informazioni dell’ippocampo dalla codifica al ricordo”, osserva Fenton. “Come uno scambio ferroviario devia un treno, questo evento di punta dentata devia i pensieri dal presente al passato.”
Il cervello enfatizza la posizione della ricompensa
Siamo liberi di vagare ma di solito quando andiamo da qualche parte è per un motivo. In un nuovo studio, i ricercatori del Picower Institute for Learning and Memory mostrano che mentre perseguiamo i premi della vita, una regione del cervello traccia la nostra posizione con una predilezione particolarmente forte per la posizione della ricompensa. Questo pregiudizio pragmatico del setto laterale suggerisce che sia un fulcro nella formulazione del comportamento diretto a uno scopo.
Sembra che il setto laterale stia, in un certo senso, ‘dando priorità’ alle informazioni spaziali legate alla ricompensa”, ha detto Hannah Wirttheater, autrice principale dello studio su eLife ed ex studentessa laureata nel laboratorio del MIT dell’autore senior Matthew Wilson, Sherman Fairchild Professore di Neurobiologia. Wirtphaser è ora un postdoc presso la Northwestern University.
L’anno scorso, WirtShafter e Wilson, professori di biologia e di scienze cerebrali e cognitive, hanno analizzato le misurazioni dell’attività elettrica di centinaia di neuroni nel LS e nell’ippocampo, una regione nota per codificare molte forme di memoria, comprese le mappe spaziali, come dimostrano i ratti. navigato in un labirinto verso una ricompensa.
In Current Biology hanno riferito che LS codifica direttamente le informazioni sulla velocità e l’accelerazione dei ratti mentre navigavano nell’ambiente.
Il nuovo studio ha continuato questa analisi, scoprendo che mentre l’LS dedica una percentuale molto minore delle sue cellule alla codifica della posizione rispetto all’ippocampo, una percentuale molto maggiore di quelle cellule risponde quando il ratto è vicino a dove si trova la ricompensa.
Inoltre, mentre i ratti correvano verso il punto della ricompensa e tornavano indietro all’interno del labirinto a forma di H, il ritmo della loro attività neurale raggiungeva il picco più vicino a quelle posizioni della ricompensa, distorcendo la curva della loro attività in relazione a dove potevano trovare un dolcetto al cioccolato.
Infine, hanno scoperto che l’attività neurale tra l’ippocampo e il LS era maggiormente correlata tra le cellule che rappresentavano le posizioni della ricompensa.
“Comprendere come le informazioni sulla ricompensa sono collegate alla memoria e allo spazio attraverso l’ippocampo è cruciale per comprendere come apprendiamo dall’esperienza, e questa scoperta indica il ruolo che il setto laterale può svolgere in questo processo”, ha detto Wilson.
Nello specifico, Wilson e Wirtphaser interpretano i risultati dei due studi per suggerire che il LS gioca un ruolo chiave nell’aiutare a filtrare e convertire le informazioni grezze su posizione, velocità e accelerazione provenienti da regioni come l’ippocampo, in output più specifici per la ricompensa per le regioni note per guidare il comportamento diretto a uno scopo, come l’area tegmentale ventrale. Nell’articolo discutono i modi in cui l’ippocampo e il LS potrebbero essere collegati insieme per farlo.
Teorizzano che il LS possa dedicare i neuroni alla ricezione di informazioni sulla posizione legate alla ricompensa dall’ippocampo e possa fondere informazioni sulla posizione non di ricompensa all’interno dei neuroni incaricati anche di elaborare altre informazioni come il movimento.
“Ciò è supportato dal nostro lavoro precedente che mostra popolazioni in qualche modo sovrapposte di cellule LS che codificano il luogo e il movimento”, ha detto WirtShafter.
Anche se è facile per la maggior parte di noi dare per scontata la capacità del cervello di facilitare la navigazione, gli scienziati la studiano per diversi motivi, ha detto Wirtphaser.
“Il chiarimento dei meccanismi e dei circuiti cerebrali coinvolti nella navigazione, nella memoria e nella pianificazione potrebbe identificare i processi alla base della funzione cognitiva compromessa nelle malattie motorie e della memoria”, ha affermato.
“Inoltre, la conoscenza dei principi del comportamento diretto agli obiettivi può essere utilizzata anche per modellare il comportamento cerebrale dipendente dal contesto in modelli di macchine per contribuire ulteriormente allo sviluppo dell’intelligenza artificiale.”
il collegamento tra movimento e motivazione avviene nel cervello
La nostra vita quotidiana si basa sul movimento pianificato attraverso l’ambiente per raggiungere gli obiettivi.
Uno studio condotto da neuroscienziati del MIT presso il Picower Institute for Learning and Memory identifica una regione del cervello ben connessa come un collegamento cruciale tra i circuiti che guidano il movimento diretto a un obiettivo e il comportamento motivato.
Pubblicata il 19 settembre su Current Biology , la ricerca mostra che il setto laterale (LS), una regione considerata parte integrante della modulazione del comportamento e implicata in molti disturbi psichiatrici , codifica direttamente le informazioni sulla velocità e l’accelerazione di un animale mentre naviga e impara come ottenere una ricompensa in un ambiente.
“Completare un compito semplice, come procurarsi il cibo per la cena, richiede la partecipazione e la coordinazione di un gran numero di regioni del cervello, e la ponderazione di una serie di fattori: ad esempio, quanto sforzo è necessario per procurarsi il cibo dalla frigorifero rispetto a un ristorante”, ha detto Hannah Wirtphaser, l’autrice principale dello studio.
“Abbiamo scoperto che la LS potrebbe aiutarti a prendere alcune di queste decisioni. Il fatto che la LS rappresenti il luogo, il movimento e le informazioni motivazionali potrebbero consentire alla LS di aiutarti a integrare o ottimizzare le prestazioni considerando luogo, velocità e altri fattori ambientali. segnali.”
Precedenti ricerche hanno attribuito importanti funzioni comportamentali al LS, come la modulazione dell’ansia, dell’aggressività e dell’affetto. Si ritiene inoltre che sia coinvolto nella dipendenza, nella psicosi, nella depressione e nell’ansia.
I neuroscienziati hanno tracciato le sue connessioni con l’ippocampo, un centro cruciale per codificare le memorie spaziali e associarle al contesto, e con l’ area tegmentale ventrale (VTA), una regione che media i comportamenti diretti a un obiettivo tramite il neurotrasmettitore dopamina.
Fino ad ora nessuno aveva dimostrato che il LS tracciasse direttamente il movimento o comunicasse con l’ippocampo, ad esempio sincronizzandosi con determinati ritmi neurali, riguardo al movimento e al contesto spaziale della ricompensa.
“L’ippocampo è una delle regioni del cervello più studiate a causa del suo coinvolgimento nella memoria, nella navigazione spaziale e in un gran numero di malattie come il morbo di Alzheimer”, ha affermato WirtShafter, che ha recentemente conseguito il dottorato di ricerca. lavorando alla ricerca come studente laureato nel laboratorio dell’autore senior Matthew Wilson, professore di neurobiologia di Sherman Fairchild.
“Si sa relativamente poco del setto laterale, anche se riceve una grande quantità di informazioni dall’ippocampo ed è collegato a molteplici aree coinvolte nella motivazione e nel movimento.”
Wilson ha affermato che lo studio aiuta a chiarire l’importanza del LS come crocevia di informazioni sul movimento e sulla motivazione tra regioni come l’ippocampo e il VTA.
“La scoperta che l’attività nel LS è controllata dal movimento indica un legame tra movimento e controllo dopaminergico attraverso il LS che potrebbe essere rilevante per la memoria, la cognizione e la malattia”, ha affermato.
Wirtphaser è stato in grado di osservare direttamente le interazioni tra LS e ippocampo registrando simultaneamente l’attività elettrica di centinaia di neuroni in ciascuna regione nei ratti sia mentre cercavano una ricompensa in un labirinto a forma di T, sia quando venivano condizionati ad associarsi. segnali luminosi e sonori con una ricompensa in un ambiente a scatola aperta.
In quei dati, lei e Wilson hanno osservato un codice di picchi di velocità e accelerazione nell’area dorsale del LS e hanno visto chiari segni che una popolazione sovrapposta di neuroni stava elaborando informazioni basate su segnali provenienti dall’ippocampo, inclusa un’attività di picchi bloccata sui ritmi cerebrali dell’ippocampo, sparo dipendente dalla posizione nel labirinto a T e risposte di segnali e ricompensa durante l’attività di condizionamento.
Tali osservazioni hanno suggerito ai ricercatori che il setto potrebbe fungere da punto di convergenza delle informazioni sul movimento e sul contesto spaziale.
Le misurazioni di Wirtphaser hanno anche mostrato che la coordinazione dei picchi del LS con il ritmo theta dell’ippocampo è selettivamente migliorata durante il comportamento di scelta che si basa sulla memoria di lavoro spaziale, suggerendo che il LS potrebbe essere un relè chiave di informazioni sull’esito della scelta durante la navigazione.
Nel complesso, i risultati suggeriscono che la segnalazione correlata al movimento nella LS, combinata con l’input che riceve dall’ippocampo, può consentire alla LS di contribuire alla consapevolezza di un animale della propria posizione nello spazio, così come alla sua capacità di valutare il compito. -cambiamenti rilevanti nel contesto derivanti dal movimento dell’animale, come quando ha raggiunto un punto di scelta, hanno detto Wilson e Wirtphaser.
Ciò suggerisce anche che la capacità del LS di modulare affetti e comportamenti potrebbe derivare dalla sua capacità di valutare come cambiano gli stati interni durante il movimento e le conseguenze e gli esiti di questi cambiamenti. Ad esempio, il LS può contribuire a dirigere il movimento verso o lontano dalla posizione di uno stimolo positivo o negativo.
Il nuovo studio offre quindi nuove prospettive sul ruolo del setto laterale nel comportamento diretto, hanno aggiunto i ricercatori, e date le note associazioni del LS con alcuni disturbi, potrebbe anche offrire nuove implicazioni per una più ampia comprensione dei meccanismi che riguardano umore, motivazione , movimento e basi neuropsichiatriche delle malattie mentali.
“Capire come funziona il LS nel movimento e nella motivazione ci aiuterà a capire come il cervello prende le decisioni di base e come l’interruzione di questi processi potrebbe portare a diversi disturbi”, ha detto Wirtphaser.
Il cervello e il comportamento socialmente motivato
Il valore che diamo a un oggetto è spesso correlato a ciò che hanno le altre persone. Potresti desiderare la moda più nuova, ma non una volta che tutti ce l’hanno.
Oppure, vincere un pranzo gratis nel tuo ristorante preferito potrebbe non sembrare così bello se l’altra persona vincesse un milione di dollari. Ora, alcuni ricercatori giapponesi hanno scoperto una regione del cervello che controlla questo tipo di comportamenti nelle scimmie.
Un team di ricercatori del National Institutes of Natural Sciences di Okazaki, in Giappone, mostra che quando le scimmie pensano che le altre scimmie saranno ricompensate, le loro stesse ricompense diventano meno allettanti.
Ciò era evidente nella quantità di scimmie che si leccavano le labbra mentre aspettavano la ricompensa. Il team ha scoperto che il leccare aumentava quanto più le scimmie prevedevano di ricevere una ricompensa e diminuiva quanto prevedevano che l’altra scimmia l’avrebbe invece ricevuta.
Questo comportamento si rifletteva nel cervello. Come spiega il primo autore Atsushi Noritake, “Abbiamo trovato un chiaro legame tra l’attività cerebrale nell’ipotalamo laterale e il comportamento di leccatura che rappresentava il valore soggettivo della ricompensa”.
Il team ha registrato l’attività dei neuroni mentre le scimmie vedevano immagini che indicavano la possibilità che loro o un’altra scimmia ricevessero una ricompensa.
Gli scienziati hanno scoperto che per alcune cellule, la velocità di attivazione aumentava con la probabilità di ricevere la ricompensa e diminuiva con la probabilità che l’altra scimmia ricevesse la ricompensa.
Un secondo esperimento ha dimostrato che la stessa regione del cervello era necessaria affinché le osservazioni sociali influenzassero il valore della ricompensa da parte delle scimmie.
Quando gli scienziati hanno temporaneamente disattivato l’ipotalamo laterale utilizzando un farmaco inibitorio, il comportamento di leccamento delle scimmie è rimasto invariato rispetto a quando prevedevano di ricevere la ricompensa, ma aumentava con la possibilità di ottenere una ricompensa.
La quantità di leccate non era più correlata alla possibilità di ottenere una ricompensa quando veniva loro detto che probabilmente l’altra scimmia l’avrebbe ottenuta.
Questo comportamento era simile a quello che accadeva quando all’altra scimmia veniva impedito di ricevere la ricompensa o quando era del tutto assente.
“Senza un ipotalamo laterale funzionante, era come se le scimmie non elaborassero più quella che vedevano come una situazione sociale “, afferma il leader del team Masaki Isoda.
“Pertanto, riteniamo che l’ipotalamo laterale del cervello sia necessario per modellare il comportamento socialmente motivato , forse in coordinamento con altre aree del cervello come la corteccia prefrontale mediale.”
