Mentre è noto che il sonno gioca un ruolo cruciale nel rafforzare la memoria, gli scienziati stanno ancora cercando di decodificare come questo processo si svolge nel cervello durante la notte.
Una nuova ricerca condotta dagli scienziati della UCLA Health e dell’Università di Tel Aviv fornisce la prima prova fisiologica dall’interno del cervello umano a sostegno della teoria scientifica dominante su come il cervello consolida la memoria durante il sonno. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che la stimolazione cerebrale profonda mirata durante un momento critico del ciclo del sonno sembrava migliorare il consolidamento delle capacita mnemoniche.
I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Nature Neuroscience.
Memoria: ecco come viene rinforzata
La nuova ricerca potrebbe offrire nuovi indizi su come la stimolazione cerebrale profonda durante il sonno potrebbe un giorno aiutare i pazienti con disturbi della memoria come il morbo di Alzheimer, ha detto il coautore dello studio Itzhak Fried, MD, Ph.D. Ciò è stato ottenuto grazie a un nuovo sistema a “circuito chiuso” che ha emesso impulsi elettrici in una regione del cervello sincronizzati con precisione all’attività cerebrale registrata da un’altra regione.
Secondo la teoria dominante su come il cervello converte nuove informazioni in ricordi a lungo termine durante il sonno, c’è un dialogo notturno tra l’ippocampo, il fulcro della memoria del cervello, e la corteccia cerebrale, che è associata a funzioni cerebrali superiori come il ragionamento e la pianificazione.
Ciò si verifica durante una fase di sonno profondo, quando le onde cerebrali sono particolarmente lente e i neuroni nelle regioni del cervello si alternano tra l’attivazione rapida in sincronia e il silenzio.
“Questo fornisce la prima grande prova fino al livello dei singoli neuroni che esiste davvero questo meccanismo di interazione tra il centro della memoria e l’intera corteccia”, ha detto Fried, direttore della chirurgia dell’epilessia presso l’UCLA Health e professore di neurochirurgia, psichiatria e scienze biocomportamentali presso la David Geffen School of Medicine dell’UCLA. “Ha un valore scientifico sia in termini di comprensione di come funziona la memoria negli esseri umani sia di utilizzo di tale conoscenza per potenziare davvero la memoria”.
I ricercatori hanno avuto l’opportunità unica di testare questa teoria del consolidamento della memoria tramite elettrodi nel cervello di 18 pazienti affetti da epilessia presso l’UCLA Health. Gli elettrodi erano stati impiantati nel cervello dei pazienti per aiutare a identificare la fonte delle loro convulsioni durante le degenze ospedaliere che in genere durano circa 10 giorni.
Lo studio è stato condotto su due notti e due mattine. Poco prima di andare a dormire, ai partecipanti allo studio sono state mostrate coppie di foto di animali e 25 celebrità, tra cui star facilmente identificabili come Marilyn Monroe e Jack Nicholson. Sono stati immediatamente testati sulla loro capacità di ricordare quale celebrità era abbinata a quale animale, e sono stati testati di nuovo al mattino dopo una notte di sonno indisturbato.
ISono stati mostrati 25 nuovi abbinamenti di animali e celebrità prima di andare a dormire. Questa volta, hanno ricevuto una stimolazione elettrica mirata durante la notte e la loro capacità di ricordare gli accoppiamenti è stata testata al mattino.
Per fornire questa stimolazione elettrica, i ricercatori avevano creato un sistema a circuito chiuso in tempo reale che Fried ha paragonato a un direttore musicale: il sistema “ascoltava” i segnali elettrici del cervello e quando i pazienti cadevano nel periodo di sonno profondo associato al consolidamento della memoria , ha emesso delicati impulsi elettrici istruendo i neuroni che si attivano rapidamente a “giocare” in sincronia.
Ogni individuo testato ha ottenuto risultati migliori nei test di memoria dopo una notte di sonno con la stimolazione elettrica rispetto a una notte di sonno indisturbato. I marcatori elettrofisiologici chiave hanno inoltre indicato che le informazioni fluivano tra l’ippocampo e tutta la corteccia, fornendo prove fisiche a sostegno del consolidamento della memoria.
Ogni individuo testato ha ottenuto risultati migliori nei test di memoria dopo una notte di sonno con la stimolazione elettrica rispetto a una notte di sonno indisturbato. I marcatori elettrofisiologici chiave hanno inoltre indicato che le informazioni fluivano tra l’ippocampo e tutta la corteccia, fornendo prove fisiche a sostegno del consolidamento della memoria.
“Abbiamo scoperto di aver sostanzialmente migliorato questa autostrada attraverso la quale le informazioni fluiscono verso luoghi di archiviazione più permanenti nel cervello”, ha detto Fried.
Fried nel 2012 è autore di uno studio del New England Journal of Medicine che per la prima volta ha dimostrato che la stimolazione elettrica può rafforzare la memoria, e il suo lavoro ha continuato a esplorare come la stimolazione cerebrale profonda potrebbe migliorare la memoria, passando ora alla fase critica del sonno. Ha anche in programma di studiare se l’intelligenza artificiale può aiutare a individuare e rafforzare ricordi specifici nel cervello.
“Nel nostro nuovo studio, abbiamo dimostrato che possiamo migliorare la memoria in generale”, ha detto Fried. “La nostra prossima sfida è se abbiamo la capacità di modulare ricordi specifici”.
Yuval Nir dell’Università di Tel Aviv ha co-supervisionato lo studio con Fried. Altri autori includono l’autrice principale Maya Geva-Sagiv, così come Emily Mankin, Dawn Eliashiv, Natalie Cherry, Guldamla Kalender e Natalia Tchemodanov dell’UCLA e Shdema Epstein dell’Università di Tel-Aviv.
La stimolazione cerebrale profonda della corteccia cingolata peggiora il richiamo della memoria, secondo una ricerca su pazienti con epilessia pubblicata su JNeurosci . La tecnica potrebbe essere un modo per colpire specifiche aree del cervello nel trattamento dei disturbi della memoria.
Center dell’Università del Texas hanno stimolato la corteccia cingolata posteriore , una regione del cervello coinvolta nella memoria, utilizzando elettrodi inseriti nel cervello dei pazienti con epilessia per trattare le convulsioni. Ai partecipanti è stato mostrato un elenco di parole, distratti, e poi è stato chiesto di ricordare le parole.
Il team di Natu ha scoperto che la stimolazione della corteccia cingolata riduceva il numero di parole richiamate e modificava le onde cerebrali dell’ippocampo rispetto a nessuna stimolazione. Questo stabilisce un ruolo diretto per la corteccia cingolata nella codifica della memoria e dimostra che i ricordi possono essere manipolati attraverso la stimolazione cerebrale profonda, che ha implicazioni per il trattamento dei disturbi della memoria.
Solleticare il cervello con una stimolazione elettrica a bassa intensità in un’area specifica può migliorare la memoria verbale a breve termine. I ricercatori della Mayo Clinic riportano le loro scoperte su Brain .
I ricercatori hanno scoperto che il richiamo delle parole è migliorato con la stimolazione della corteccia temporale laterale del cervello, le regioni ai lati della testa vicino alle tempie e alle orecchie. I pazienti hanno ricordato più parole da un elenco visualizzato in precedenza quando è stata erogata al cervello una stimolazione elettrica di bassa ampiezza . Un paziente ha riferito che era più facile immaginare le parole nella sua mente per ricordarle.
“La scoperta più entusiasmante di questa ricerca è che la nostra memoria per le informazioni linguistiche può essere migliorata stimolando direttamente quest’area del cervello sottoesplorata”, afferma Michal Kucewicz, Ph.D., ricercatore della Mayo Clinic presso il Dipartimento di Neurologia e co-primo autore . Il dottor Kucewicz paragona la stimolazione al “solletico” al cervello.
I disturbi della memoria sono un problema diffuso e costoso in molte malattie cerebrali. I farmaci e le terapie comportamentali hanno un’efficacia limitata in molti casi. “Mentre la stimolazione elettrica del cervello sta emergendo come potenziale terapia per un’ampia gamma di malattie neurologiche e psichiatriche, si sa poco del suo effetto sulla memoria”, afferma Gregory Worrell, MD, Ph.D., neurologo della Mayo Clinic e autore senior dell’articolo.
I ricercatori di Mayo fanno parte di una collaborazione multicentrica guidata da Michael Kahana, Ph.D., University of Pennsylvania a Philadelphia. Questa collaborazione comprende sette centri medici accademici.
“Il prossimo passo per questo progetto è determinare come applicare al meglio la corrente elettrica in termini di posizione esatta all’interno di quest’area del cervello, tempi e parametri di stimolazione”, afferma Brent Berry, MD, Ph.D., una Mayo Clinic ricercatore presso il Dipartimento di Fisiologia e Ingegneria Biomedica e co-primo autore.
In questo articolo Brain , Drs. Kucewicz e Berry e colleghi hanno concentrato il loro studio su quattro aree del cervello note per supportare la memoria di fatti ed eventi che possono essere richiamati consapevolmente.
Il test della memoria è stato eseguito con pazienti sottoposti a valutazione per un intervento chirurgico per affrontare le convulsioni. Questi pazienti hanno accettato di studiare la loro memoria utilizzando gli elettrodi impiantati nel loro cervello per la valutazione chirurgica.
È comune per le persone con epilessia avere problemi di memoria perché i circuiti cerebrali che sono alla base della funzione della memoria sono spesso influenzati dall’epilessia. Nello studio, i pazienti sono stati istruiti a leggere un elenco di parole, una alla volta, dallo schermo di un computer. La stimolazione elettrica è stata applicata per un po’ di questo tempo. I pazienti hanno quindi tentato di ricordare liberamente le parole in qualsiasi ordine.
Tra 22 pazienti, i ricercatori hanno riscontrato un miglioramento delle prestazioni della memoria nei quattro pazienti con stimolazione della corteccia temporale laterale, ma non tra quelli con le altre regioni cerebrali stimolate.
“Questi risultati possono portare a nuovi dispositivi di stimolazione che trattano i deficit di memoria e cognizione”, afferma Jamie Van Gompel, MD, neurochirurgo della Mayo Clinic specializzato in stimolazione cerebrale e autore dello studio.
Gli autori notano che i limiti dello studio includono i farmaci contro il dolore e le convulsioni che possono influenzare le prestazioni del paziente, l’ambiente ospedaliero che può interrompere i cicli di sonno e veglia dei pazienti e il fatto che l’epilessia influisce sulla memoria.
Gli scienziati hanno scoperto che la parte sinistra del cervello controlla l’espressione verbale della nostra memoria “semantica” a lungo termine che contiene fatti, significati, concetti e conoscenze.
Lo studio, condotto dagli psicologi dell’Università di Manchester, è il primo del suo genere a valutare le somiglianze e le differenze nel modo in cui i lati sinistro e destro del cervello elaborano la memoria semantica.
La ricerca, guidata dalla dottoressa Grace Rice e dal professor Matthew Lambon Ralph dell’Università di Manchester, è stata finanziata dal Consiglio di ricerca in ingegneria e scienze fisiche e dal Consiglio di ricerca medica.
Il team – che lavora con i neuropsicologi del Salford Royal e del Walton Center for neurology di Liverpool – ha lavorato con 41 pazienti a cui è stata rimossa parte del cervello per curare la loro epilessia di lunga data.
I pazienti – che ora hanno meno crisi epilettiche e sono in grado di tornare al lavoro e imparare a guidare grazie all’intervento chirurgico – hanno testato la loro memoria semantica verbale e visiva.
L’intervento rimuove parte del cervello che causa le convulsioni, ma rimuove anche il tessuto che i ricercatori ritengono sia coinvolto nella conservazione dei ricordi semantici. Venti dei pazienti hanno subito un intervento chirurgico per rimuovere parte del cervello, chiamato lobo temporale anteriore, sul lato destro, e 21 hanno subito un intervento chirurgico per rimuovere il lobo temporale anteriore sinistro.
Per testare la loro memoria semantica verbale, le valutazioni del team hanno incluso il test della capacità dei pazienti di nominare immagini e celebrità (tra cui Brad Pitt, la Principessa Di e la Regina) e la loro capacità di abbinare le parole in termini di significato.
E per testare la loro memoria visiva, ai pazienti è stato chiesto di identificare le emozioni delle persone nelle fotografie e dire se un volto era loro familiare.
I risultati del test sono stati confrontati con altre 20 persone che non avevano problemi neurologici.
La dottoressa Grace Rice, dell’Università di Manchester, ha dichiarato: “Popolarmente, c’è molto interesse nel sapere se ci sono somiglianze o differenze tra il lato sinistro e destro del cervello.
“La nostra ricerca per la prima volta mostra che, almeno per la memoria semantica, entrambi i lati del cervello svolgono un ruolo importante nella memoria semantica visiva e verbale.
“Ma c’è una differenza significativa quando si tratta di espressione verbale di questa conoscenza, che è stata influenzata maggiormente dalla chirurgia al lato sinistro del cervello.
“La nostra ricerca fornisce una visione importante sia degli effetti che questo particolare tipo di chirurgia dell’epilessia ha sul comportamento, ma ci aiuta anche a capire dove è immagazzinata la memoria nel cervello “.
Rivivere e condividere il nostro passato personale fa parte di ciò che ci rende umani. Crea un senso di chi siamo, ci permette di pianificare il futuro e ci aiuta a formare relazioni. Ma non tutti ricordiamo il nostro passato allo stesso modo. In effetti, la natura e la qualità della memoria differiscono notevolmente tra le persone.
Ad esempio, quando viene chiesto di ricordare qualcosa su una festa, una persona potrebbe descrivere vividamente il suo sesto compleanno: come sono stati disposti i regali, il sapore dolce e cioccolatoso della torta riccio e l’andare a letto molto tardi. Un’altra persona potrebbe non ricordare questo preciso dettaglio, ma ricorda che sua zia disprezzava le feste e che le torte a riccio erano enormi negli anni ’80 .
Quindi, i nostri ricordi personali contengono diversi tipi di informazioni. Alcuni di questi sono molto specifici su quando e dove sono accadute le cose e su come ci si sente. Questa raccolta di esperienze personali è nota come ” memoria episodica “. Altri bit sono fatti generali sul mondo, noi stessi e le persone che conosciamo. Questa si chiama “memoria semantica”. Una grande domanda nelle neuroscienze è se questi due tipi di memoria coinvolgano parti distinte del cervello.
È stato scoperto che gli individui che hanno subito danni a una regione chiamata ippocampo (coinvolta nella memoria, nell’apprendimento e nelle emozioni) ricordano fatti della loro vita ma mancano di dettagli episodici ad alta risoluzione . D’altra parte, i pazienti con una rara forma di demenza, nota come demenza semantica , possono ricordare informazioni episodiche, ma non i fatti che le uniscono. Curiosamente, questi individui mostrano una degenerazione precoce di un’altra parte del cervello chiamata lobo temporale anteriore (ritenuto fondamentale per la memoria semantica).
Ma possiamo vedere una distinzione simile nel cervello sano? Poiché riflettere sul nostro passato è molto complesso, sembra probabile che diverse regioni del cervello debbano lavorare insieme per raggiungerlo. E gli studi che utilizzano la risonanza magnetica funzionale hanno dimostrato che i ricordi personali attivano grandi reti nel cervello.
Quindi sembra che la memoria non possa essere ridotta a una o due aree cerebrali particolari. Dobbiamo pensare in modo più ampio di così. Il cervello stesso è costituito da tessuto sia grigio che bianco. La parte bianca, nota come “sostanza bianca”, contiene fibre che consentono alle informazioni di viaggiare tra le diverse aree del cervello. Quindi queste stesse connessioni potrebbero prevedere come ricordiamo?
Nel nostro ultimo studio, pubblicato sulla rivista Cortex , abbiamo esplorato questa domanda utilizzando una tecnica di scansione del cervello nota come diffusione MRI . Questo metodo utilizza il movimento delle molecole d’acqua per mappare i percorsi della materia bianca del cervello.
Abbiamo chiesto a 27 volontari in età universitaria di rimanere immobili nello scanner mentre raccoglievamo le immagini dei loro cervelli. Usando queste immagini potremmo identificare percorsi specifici ed estrarre le misure della loro struttura, indicando l’efficienza con cui le informazioni possono viaggiare tra regioni collegate.
Fuori dallo scanner, a ciascun volontario è stato chiesto di descrivere i ricordi del proprio passato in risposta a parole chiave, come “festa” o “vacanza”. Esaminando e codificando scrupolosamente ogni ricordo, abbiamo potuto capire quanto fosse “episodica” e “semantica” la memoria di ogni persona. Ad esempio, affermazioni spaziali precise conterebbero per il punteggio episodico (“La Torre Eiffel era proprio dietro di noi”), e i fatti conterebbero per il punteggio semantico (“Parigi è la città preferita di mia sorella”).
Abbiamo scoperto che la quantità di dettagli ricchi ed episodici ricordati dai volontari era correlata alla connettività di un percorso della materia bianca a forma di arco chiamato fornice, che si collega all’ippocampo. Quindi, più efficientemente il fornice può trasmettere informazioni dall’ippocampo alle regioni circostanti, più episodica è la memoria di qualcuno.
Un diverso percorso della materia bianca, chiamato in modo accattivante il fascicolo longitudinale inferiore , prediceva fortemente come fossero i ricordi semantici delle persone. È interessante notare che questo lungo fascio di sostanza bianca è la via principale dalle parti visive del cervello al lobo temporale anteriore, la stessa regione che è interessata nei casi di demenza semantica .
Questi risultati suggeriscono che le differenze nel modo in cui ognuno di noi ricorda il proprio passato si riflettono nel modo in cui i nostri cervelli sono cablati. Storicamente, le neuroscienze hanno avuto la tendenza a vedere le regioni cerebrali come singole, che lavorano da sole. Questi risultati suggeriscono l’alternativa: che i collegamenti tra le regioni – e le reti che formano – sono fondamentali per il modo in cui pensiamo e ci comportiamo.
La nostra scoperta supporta anche l’idea che ci siano “sistemi” di memoria separati nel cervello. Uno per rivivere il tempo e il luogo e un altro per attingere conoscenze generali e fatti personali.
Questi risultati potrebbero aiutare le persone con problemi di memoria? Non ancora, ma capire come funziona la memoria nelle persone sane potrebbe alla fine aiutarci a capire esattamente cosa va storto nel cervello quando contraiamo malattie come l’Alzheimer e aiutarci a curarlo. Ad esempio, le persone con danni alla rete “episodica”, come quelle con malattia di Alzheimer precoce, possono beneficiare di strategie di memoria semantica per compensare. Uno studio recente ha scoperto che sollecitare i ricordi con oggetti fisici ha portato a una migliore memoria episodica nelle persone con Alzheimer.
C’è ancora molto che non sappiamo sulla materia bianca del cervello . Numerose proprietà possono influenzare il modo in cui le informazioni viaggiano su di esso, come la densità delle fibre. In futuro, potremo utilizzare nuove e potenti tecniche di scansione per scoprire le parti della materia bianca che guidano questi affascinanti effetti.
