Si impara a ritmo delle sinapsi

Il cervello impara attraverso i cambiamenti di stato delle sinapsi – le connessioni tra i neuroni – in risposta a degli stimoli.

Ora, in una scoperta che sfida il pensiero convenzionale sui meccanismi cerebrali di apprendimento, i neurofisici della UCLA hanno scoperto che c’è un ritmo ottimale del cervello per cambiare i rapporti sinaptici. Inoltre ogni sinapsi è sintonizzata su una frequenza diversa e ottimale per l’apprendimento.

I risultati, che forniscono una teoria unificata dei meccanismi che sono alla base dell’apprendimento del cervello, potrebbero portare a nuove terapie per il trattamento delle disabilità nell’apprendimento.

Lo studio compare sull’ultimo numero della rivista Frontiers in Computational Neuroscience.

“Molte persone soffrono di disturbi della memoria e dell’apprendimento e la maggior parte di noi non sono Einstein o Mozart”, ha detto Mayank R. Mehta, autore dello studio e professore associato all’ UCLA nei reparti di neurologia, neurobiologia, fisica e astronomia. “Il nostro lavoro suggerisce che alcuni problemi con l’apprendimento e la memoria sono causati da sinapsi che non sono sintonizzate sulla frequenza giusta.”

Un cambiamento nella forza di una sinapsi in risposta agli stimoli – nota come plasticità sinaptica – è indotto attraverso i cosiddetti “picchi di impulsi”, serie di segnali neuronali che si verificano con frequenza e tempistica variabili. Esperimenti precedenti hanno dimostrato che i neuroni stimolati ad una frequenza molto elevata (per esempio, 100 picchi al secondo) hanno rafforzato la sinapsi di collegamento, mentre a bassa frequenza di stimolazione (ad esempio, un picco al secondo) hanno ridotto la forza sinaptica.

Questi esperimenti precedenti usavano centinaia di picchi consecutivi in una gamma di frequenze molto elevate per indurre plasticità. Eppure, quando il cervello è attivo durante le attività comportamentali nella vita reale, si raggiungono circa 10 picchi consecutivi, non centinaia. E lo fanno con una frequenza molto più bassa – tipicamente con 50 picchi al secondo.

In altre parole, ha detto Mehta, “il picco di frequenza si riferisce alla velocità con cui arrivano i picchi. Dieci picchi possono arrivare ad una frequenza di 100 picchi al secondo o ad una frequenza di un picco al secondo”

Fino ad oggi, i ricercatori erano in grado di condurre esperimenti che simulavano più naturalmente i diversi livelli. Ma Mehta e il co-autore Arvind Kumar, sono riusciti a ottenere queste misurazioni per la prima volta utilizzando un sofisticato modello matematico che hanno sviluppato e validato con dati sperimentali.

Contrariamente a quanto precedentemente supposto, Mehta e Kumar hanno scoperto che per aumentare la forza sinaptica, era meglio stimolare le sinapsi con frequenze di picchi naturali, che stimolarle con frequenze più alte .

Quando, per esempio, una sinapsi è stata stimolata con solo 10 picchi ad una frequenza di 30 picchi al secondo, induceva un aumento di gran lunga maggiore in forza di quando era stimolata con 10 picchi 100 picchi al secondo.

“L’aspettativa, sulla base di studi precedenti, era che se si portava la sinapsi ad una frequenza più alta, l’effetto sul potenziamento sinaptico, o di apprendimento, sarebbe stato come quello con una forza sinaptica normale” Mehta ha detto. “Con nostra sorpresa, abbiamo scoperto che al di là della frequenza ottimale, il rafforzamento sinaptico effettivamente diminuiva con frequenze più elevate.”

Sapere che una sinapsi ha una frequenza preferita per l’apprendimento ha portato i ricercatori a confrontare le frequenze ottimali in base alla posizione della sinapsi in un neurone. I neuroni sono a forma di alberi, con il nucleo che è alla base dell’albero, e i dendriti che assomigliano ai rami estesi e le sinapsi che assomigliano alle foglie su quei rami.

Quando Mehta e Kumar hanno confrontato l’apprendimento delle sinapsi a seconda di dove erano localizzate sui dendriti, hanno trovato qualcosa di significativo: la frequenza ottimale per indurre l’apprendimento cambiava a seconda di dove era localizzata la sinapsi. Più la sinapsi è lontana dal centro del neurone, più alta è la frequenza ottimale “Incredibilmente, quando si tratta di apprendimento, il neurone si comporta come un antenna gigante, con diversi rami dei dendriti sintonizzati su frequenze diverse per il massimo apprendimento”, ha affermato Mehta.

I ricercatori hanno scoperto che non solo ogni sinapsi ha una frequenza preferita per raggiungere un apprendimento ottimale, ma per l’effetto migliore, la frequenza deve essere perfettamente ritmica – a tempo e ad intervalli esatti. Anche con la frequenza ottimale, se il ritmo è sbagliato, l’apprendimento sinaptico diminuisce.

La loro ricerca ha anche mostrato che una volta che una sinapsi apprende, cambia la sua frequenza ottimale.
Questo processo di apprendimento ha importanti implicazioni per il trattamento di disturbi legati alla memoria.

Anche se la ricerca richiede molto approfondimento, i risultati potrebbero aprire alla possibilità della creazione di farmaci utili a “riaccordare” i ritmi del cervello delle persone con disturbi di apprendimento o della memoria, e che molti di noi potrebbero diventare Einstein o Mozart, se si raggiunge il ritmo ottimale per ogni sinapsi.

“Sappiamo già che ci sono droghe e stimoli elettrici che possono alterare i ritmi del cervello”, ha affermato Mehta. “Le nostre scoperte suggeriscono che siamo in grado di utilizzare questi strumenti per fornire il ritmo ottimale al cervello per connessioni mirate a migliorare l’apprendimento.”Fonte