I ricercatori della Fondazione Champalimaud hanno fatto luce su ciò che potrebbe accadere nel nostro cervello in momenti come questi, e ci portano un passo avanti per capire mistero di come il cervello traduce le percezioni in azioni.
Lo studio è stato pubblicato su Current Biology
Come il cervello traduce le percezioni in azioni
Ogni giorno prendiamo innumerevoli decisioni basate sui suoni senza pensarci due volte. Ma cosa succede esattamente nel cervello in questi casi? Un nuovo studio del Renart Lab, dà uno sguardo dietro il cofano. Le loro scoperte approfondiscono la nostra comprensione di come le informazioni sensoriali e le scelte comportamentali sono intrecciate all’interno della corteccia, lo strato esterno del cervello che modella la nostra percezione cosciente del mondo.
La corteccia è divisa in regioni che gestiscono diverse funzioni: le aree sensoriali elaborano le informazioni provenienti dal nostro ambiente, mentre le aree motorie gestiscono le nostre azioni.
Sorprendentemente, segnali relativi ad azioni future, che ci si aspetterebbe di trovare solo nelle aree motorie, compaiono anche in quelle sensoriali.
Cosa ci fanno i segnali legati al movimento nelle regioni dedicate all’elaborazione sensoriale? Quando e dove emergono questi segnali? L’esplorazione di queste domande potrebbe chiarire l’origine e il ruolo di questi segnali sconcertanti e il modo in cui guidano o meno le decisioni.
I ricercatori hanno affrontato queste domande ideando un compito per i topi. Il postdoc Raphael Steinfeld, autore principale dello studio, afferma: “Per svelare quali segnali relativi alle azioni future potrebbero essere emessi nelle aree sensoriali, abbiamo pensato attentamente al compito che i topi avrebbero dovuto svolgere.
“Gli studi precedenti si basavano spesso su compiti ‘Go-NoGo’, in cui gli animali riferiscono la loro scelta eseguendo un’azione o non muovendosi, a seconda dell’identità dello stimolo.
Questa configurazione, tuttavia, mescola segnali legati a movimenti specifici con quelli relativi al semplice movimento in generale. Per isolare i segnali per azioni specifiche, abbiamo addestrato i topi a decidere tra una delle due azioni.
Dovevano decidere se un suono era alto o basso rispetto a una soglia impostata e segnalare la loro decisione leccandone una beccucci, a sinistra o a destra.”
Tuttavia, ciò non era sufficiente. “I topi imparano rapidamente questo compito, spesso rispondono non appena sentono il suono”, continua Steinfeld.
“Per separare l’attività cerebrale legata al suono da quella legata alla risposta, abbiamo introdotto un ritardo critico di mezzo secondo. Durante questo intervallo, i topi dovevano trattenere la loro decisione.
Fondamentalmente, questo ritardo ci ha permesso di separare temporaneamente l’attività cerebrale legata al suono lo stimolo da quello legato alla scelta, e tracciare come i segnali neurali legati al movimento si sono dispiegati nel tempo a partire dall’input sensoriale iniziale.”
“Per analizzare le rappresentazioni neurali dello stimolo e della scelta, era anche importante progettare un esperimento abbastanza impegnativo da consentire ai topi di commettere errori. Un tasso di successo del 100% avrebbe offuscato la distinzione tra stimolo e scelta, poiché ogni stimolo avrebbe sempre suscitato la stessa cosa.” risposta. Creando il potenziale per errori, potremmo separare la codifica neurale del suono dalle decisioni prese.”
Ad esempio, nei casi in cui i topi sentivano lo stesso tono ma prendevano decisioni diverse (corrette o sbagliate), potevano esaminare se l’attività di un neurone variava tra le due azioni. Se così fosse, ciò indicherebbe che il neurone ha codificato l’informazione sulla scelta.
Dopo sei mesi di addestramento rigoroso, i ricercatori hanno finalmente potuto iniziare a registrare l’attività neurale nei topi mentre eseguivano il compito. Si sono concentrati sulla corteccia uditiva , la parte della corteccia responsabile dell’elaborazione di ciò che sentiamo, che avevano già dimostrato essere necessaria per il compito.
“La corteccia dei topi e degli esseri umani è composta da sei strati, ciascuno con funzioni specializzate e connessioni distinte con altre regioni del cervello”, spiega Alfonso Renart, ricercatore principale e autore senior dello studio.
“Dato che alcuni strati tipicamente ricevono informazioni sensoriali dalle regioni del cervello, mentre altri inviano input ai centri motori, abbiamo registrato simultaneamente l’attività attraverso gli strati della corteccia uditiva, per la prima volta in un compito come il nostro, in cui i segnali sensoriali e motori potevano essere nettamente separati.”
“Abbiamo scoperto che i segnali sensoriali e legati alle scelte mostravano modelli spaziali e temporali distinti”, continua Renart.
“I segnali relativi al rilevamento del suono apparivano rapidamente ma svanivano rapidamente, svanendo circa 400 millisecondi dopo la presentazione del suono e erano distribuiti ampiamente su tutti gli strati corticali. Al contrario, i segnali relativi alla scelta, che indicano il movimento che il mouse sta per fare, emersero più tardi, prima che la decisione fosse eseguita, e si concentravano negli strati più profondi della corteccia.”
Tuttavia, nonostante la separazione temporale tra stimolo e attività di scelta, un’ulteriore analisi ha rivelato una connessione intrigante: i neuroni che rispondevano a una specifica frequenza del suono tendevano anche ad essere più attivi per le azioni associate a quei suoni.
Come spiega Steinfeld, “Ad esempio, un neurone che reagisce alle alte frequenze potrebbe attivarsi di più per una leccata verso destra in un topo e per una leccata verso sinistra in un altro, a seconda di come ciascuno è stato addestrato, poiché abbiamo invertito la contingenza dell’azione del suono.
Questa variabilità in diversi animali dimostra che l’attività non è cablata ma si adatta attraverso l’esperienza. Questi neuroni imparano ad aumentare la loro attività per qualunque azione sia appropriata in base alla loro frequenza sonora preferita.”
Quindi, quale potrebbe essere l’origine di questi segnali di scelta nella corteccia uditiva? “È interessante notare che”, osserva Renart, “i primi segnali sensoriali nella corteccia uditiva non sembrano predire la scelta finale dei topi, e i segnali di scelta emergono significativamente più tardi.
“Ciò suggerisce che i segnali sensoriali nella corteccia uditiva non causano direttamente le azioni dei topi, e che i segnali di scelta che osserviamo sono probabilmente calcolati altrove nelle regioni cerebrali superiori coinvolte nella pianificazione o nell’esecuzione dei movimenti, che poi inviano il loro feedback all’apparato uditivo.” corteccia.”
Ma se questi segnali di movimento non dettano le azioni, che ruolo potrebbero svolgere? Forse servono principalmente a integrare e trasmettere informazioni. Ad esempio, questi segnali potrebbero regolare la percezione del cervello per allinearla con una decisione in corso, migliorando la stabilità di ciò che percepiamo.
In alternativa, potrebbero preparare il cervello ai risultati sensoriali attesi dalle azioni, come il rumore prodotto dal movimento, garantendo che le nostre esperienze sensoriali corrispondano ai nostri movimenti.
Queste ipotesi restano da verificare. “Ci si potrebbe chiedere, se i segnali sensoriali della corteccia uditiva non informano direttamente le scelte, e i segnali di scelta che osserviamo non sono effettivamente prodotti da essa, allora qual è esattamente lo scopo della corteccia uditiva?” Renart riflette.
“Potremmo ipotizzare che la corteccia uditiva sia più interessata alla costruzione di un’esperienza cosciente del suono che alla trasformazione sensomotoria, ma questa è una storia per un altro giorno.”
Tuttavia, un ruolo causale non può essere escluso, soprattutto perché gli strati più profondi della corteccia uditiva trasmettono informazioni allo striato posteriore, parte del centro di controllo del cervello per abitudini e movimenti.
Gli studi futuri mireranno a individuare le origini precise di questi segnali di movimento e se sono effettivamente causali rispetto al comportamento. Per ora, possiamo aggiungere un altro pezzo al puzzle di come il cervello converte la percezione in azione e dei meccanismi interni in azione la prossima volta che senti dei passi nella notte.
Il ruolo dei segnali sensoriali nel cervello
Imparare ad allacciarsi una scarpa o a tirare un pallone da basket non è facile, ma il cervello in qualche modo integra i segnali sensoriali che sono fondamentali per coordinare i movimenti in modo da poterlo fare bene.
Ora, gli scienziati della Rutgers hanno scoperto che i segnali sensoriali nella corteccia cerebrale del cervello, che svolge un ruolo chiave nel controllo del movimento e di altre funzioni, hanno uno schema diverso di connessioni tra le cellule nervose ed effetti diversi sul comportamento rispetto ai segnali motori. L’area motoria della corteccia invia segnali per stimolare i muscoli.
La ricerca sui segnali neurali, pubblicata sulla rivista Current Biology , potrebbe aiutare a portare a nuovi trattamenti per disturbi del movimento come il morbo di Parkinson e la malattia di Huntington o condizioni psichiatriche come il disturbo ossessivo compulsivo.
Gli scienziati della Rutgers University-New Brunswick e della Rutgers-Newark hanno studiato una regione del cervello chiamata striato nei topi. Lo striato, che integra i segnali provenienti dalle aree sensoriali e motorie della corteccia cerebrale, è gravemente compromesso in malattie come il Parkinson e l’Huntington.
“Abbiamo scoperto che la stimolazione dei segnali della corteccia sensoriale induceva i topi a interrompere le loro azioni durante un compito comportamentale, ma i segnali della corteccia motoria li inducevano a eseguire il compito in modo più impulsivo”, ha affermato l’autore senior David J. Margolis, assistente professore presso il Dipartimento di Cellula. Biologia e Neuroscienze presso la School of Arts and Sciences di Rutgers-New Brunswick.
La ricerca futura esaminerà i modelli di segnalazione tra la corteccia cerebrale e lo striato durante diversi tipi di paradigmi di apprendimento nei topi per comprendere i meccanismi di connessione delle cellule nervose. L’obiettivo finale è capire come la segnalazione anomala della corteccia e dello striato sia coinvolta nei disturbi neurologici e psichiatrici.
Il cervello distribuisce i segnali in modo diverso prima del movimento reale e immaginario
Gli scienziati hanno stabilito come l’attività del nostro cervello durante il movimento immaginario differisce da quella durante l’azione reale. Si scopre che in entrambi i casi il segnale precedente si verifica nella corteccia cerebrale, ma con un movimento immaginario non ha un collegamento chiaro con un emisfero specifico.
I dati ottenuti possono essere potenzialmente utilizzati nella pratica medica per creare neuro trainer e controllare il ripristino delle reti neurali nei pazienti post-ictus. I risultati dello studio sono pubblicati sulla rivista Cerebral Cortex .
Prima di prendere in mano una penna o posare una tazza, nel cervello si forma un quadro completo di questa azione . Tali trasformazioni visuo- motorie garantiscono la precisione dei nostri movimenti. Conoscere questi meccanismi aiuta i pazienti a ripristinare l’attività motoria dopo un ictus. Ma non sempre finiamo il movimento che abbiamo iniziato. In questo caso, l’informazione visiva entra nelle aree motorie della corteccia responsabili del movimento, ma l’inizio della reazione ad un certo punto viene bloccato e lo sforzo mentale non si conclude con l’attivazione muscolare reale.
Non è ancora noto come l’attività cerebrale prima di un movimento esplicito differisca da quella che avviene prima di un’azione immaginaria. Questo è esattamente ciò che i ricercatori hanno deciso di scoprire, poiché comprendere i nostri movimenti a livello cerebrale migliorerà la tecnica di riabilitazione motoria dopo un ictus.
Scienziati della Skoltech e dell’Università statale di Mosca hanno confrontato le trasformazioni visuo-motorie nei movimenti reali e immaginari. A tal fine, gli autori hanno condotto un esperimento che ha coinvolto 17 volontari con un’età media di 23 anni.
I soggetti posizionavano le mani su un pannello con due pulsanti che venivano periodicamente illuminati, mentre i partecipanti dovevano seguire solo uno dei due pulsanti. Non appena il pulsante si accendeva, gli attori dovevano premerlo o immaginare come lo stessero facendo, a seconda della richiesta degli scienziati.
Durante l’esperimento, i ricercatori hanno registrato l’elettroencefalogramma dei volontari. Successivamente i neuroscienziati hanno valutato i segnali delle regioni corticali associati alla preparazione al movimento e alla comparsa di sensazioni sensoriali nelle mani durante il movimento.
Con il movimento immaginario e reale, la luce del pulsante provocava l’attività della corteccia sensomotoria, ma solo nel caso dei movimenti reali questa attività è stata osservata principalmente in un emisfero.
Gli autori sostengono che un segnale che si verifica nel cervello prima dell’inizio del movimento (il cosiddetto segnale precedente) indica la trasformazione degli stimoli visivi in movimento.
Il segnale precedente risultò essere più forte nelle regioni centro-frontali dell’emisfero opposto all’arto attivo. Cioè, quando una persona premeva il pulsante con la mano destra, veniva attivato l’emisfero sinistro e viceversa. Allo stesso tempo, la durata del segnale precedente aumentava se la persona reagiva più lentamente alla luce del pulsante e lo premeva con ritardo.
Il segnale precedente associato al movimento immaginario non era associato a un emisfero specifico del cervello. L’eccitazione si accumula in varie aree della corteccia sensomotoria prima del movimento, il che indica che la formazione di un’immagine mentale nell’immaginazione e nell’azione reale avviene in modi diversi.
Gli autori hanno anche verificato se nel cervello dei volontari apparivano segnali quando veniva acceso un pulsante su cui i partecipanti non concentravano la loro attenzione. Si è scoperto che in risposta a stimoli non mirati, i volontari avevano anche un segnale precedente, sebbene fosse molto più debole del bersaglio e avesse una durata più breve.
La presenza di un segnale così non target indica che quando si prendono decisioni nel cervello, vengono prima valutate le informazioni visive e quindi viene presa la decisione di bloccare il movimento.
Allo stesso tempo, i segnali non target indicano anche che le aree motorie della corteccia non rimangono inattive durante la valutazione dello stimolo, e solo la presenza di un segnale precedente non porta necessariamente ad una risposta motoria immediata.
“Un ictus provoca la rottura dell’equilibrio tra inibizione ed eccitazione nella corteccia cerebrale , così come la rottura delle interazioni interemisferiche e delle interazioni della corteccia motoria con le aree visive.
“Proponiamo di utilizzare segnali corticali legati al movimento per valutare lo stato delle reti cerebrali responsabili della conversione dei segnali visivi in azioni nei pazienti con ictus . Possono anche essere utilizzati per analizzare il successo della riabilitazione.
Questo approccio sarà altamente sensibile, poiché consentirà registrando miglioramenti nello stato dei sistemi motori del cervello ancor prima che si manifestino nei movimenti,” ha detto Nikolay Syrov, ricercatore senior presso Skoltech e uno dei partecipanti al progetto.
