Il cervello elabora l’apprendimento ritmicamente

Il cervello impara attraverso i cambiamenti nell’intensità delle sue sinapsi – le connessioni tra i neuroni – come risposta a stimoli. Ora, in una scoperta che sfida la saggezza convenzionale sui meccanismi cerebrali di apprendimento, i neurofisici della UCLA hanno scoperto che c’è un ottimo “ritmo” del cervello o frequenza, che cambia la forza sinaptica.

E ancora, come le stazioni su un quadrante radio, ogni sinapsi è sintonizzata su una frequenza diversa ottimale per l’apprendimento. I risultati, che forniscono una grande teoria unificata dei meccanismi che sono alla base dell’apprendimento del cervello, può portare a possibili nuove terapie per il trattamento delle disabilità di apprendimento. Lo studio compare nel numero corrente della rivista Frontiers in Computational Neuroscience.
“Molte persone hanno disturbi di apprendimento e  di memoria, e al di là di quel gruppo, la maggior parte di noi non sono Einstein o Mozart”, ha detto Mayank R. Mehta, autore senior dello studio e professore associato nei reparti di neurologia, neurobiologia, fisica e astronomia della UCLA.

“Il nostro lavoro suggerisce che alcuni problemi connessi all’apprendimento e alla memoria sono causati dal fatto che le sinapsi non sono sintonizzate sulla frequenza giusta”. Un cambiamento nella forza di una sinapsi in risposta a stimoli – noto come plasticità sinaptica – è indotto attraverso i cosiddetti “treni di impulsi”, una serie di segnali neuronali che si verificano con frequenza e tempistica variabili. Esperimenti precedenti hanno dimostrato che stimolando i neuroni  ad una frequenza molto elevata (per esempio, 100 picchi al secondo) si rafforza la sinapsi di collegamento, mentre a bassa frequenza di stimolazione (ad esempio, un picco al secondo) si riduce la forza  sinaptica.

Gli esperimenti precedenti usavano centinaia di picchi consecutivi in una gamma di frequenza molto elevata per indurre plasticità. Eppure, quando il cervello è attivo durante le attività comportamentali nella vita reale, i neuroni bruciano solo circa 10 picchi consecutivi, non centinaia.  In altre parole, ha detto Mehta, “il picco di frequenza si riferisce alla velocità dei picchi. Dieci picchi potrebbero essere rilasciati 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 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. La conoscenza che una sinapsi ha una frequenza massima 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, dove il nucleo è la base dell’albero, i dendriti assomigliano a rami estesi e le sinapsi  assomigliano alle foglie su quei rami.

Quando Mehta e Kumar hanno confrontato l’ apprendimento sinaptico in base a dove le sinapsi si trovavano sui rami dendritici, ciò che hanno trovato è stato significativo: la frequenza ottimale per indurre l’apprendimento sinaptico cambiava a seconda di dove si trovava la sinapsi.  I ricercatori hanno scoperto che non solo ogni sinapsi ha una frequenza preferita per raggiungere un apprendimento ottimale, ma per un effetto migliore, la frequenza deve essere perfettamente ritmica –  ad intervalli esatti.