Le onde cerebrali in movimento aiutano a rilevare oggetti difficili da vedere

Le onde cerebrali in movimento aiutano a rilevare oggetti difficili da vedere

Gli scienziati del Salk scoprono modelli di onde neurali nel cervello sveglio che aiutano a rilevare gli oggetti

LA JOLLA—Immaginate di essere in ritardo al lavoro e di cercare disperatamente le chiavi della macchina. Avete cercato dappertutto in casa, ma non siete riusciti a trovarle da nessuna parte. All'improvviso vi rendete conto che le vostre chiavi sono rimaste lì davanti a voi per tutto il tempo. Perché non le avete viste prima?

Ora, un team di scienziati del Salk Institute guidato dal professor Giovanni Reynolds ha svelato i dettagli dei meccanismi neurali alla base della percezione degli oggetti. Hanno scoperto che nel sistema visivo del cervello sveglio esistono modelli di segnali neurali, chiamati onde cerebrali viaggianti, organizzati per consentire al cervello di percepire oggetti deboli o altrimenti difficili da vedere. I risultati sono stati pubblicati su Nature L'ottobre 7, 2020.

"Abbiamo scoperto che gli oggetti deboli hanno molte più probabilità di essere visti se la visualizzazione dell'oggetto è sincronizzata con le onde cerebrali in movimento. Le onde in realtà facilitano la sensibilità percettiva, quindi ci sono momenti in cui si possono vedere cose che altrimenti non si potrebbero vedere", afferma Reynolds, autore senior dell'articolo e titolare della cattedra Fiona e Sanjay Jha in Neuroscienze. "Si scopre che queste onde cerebrali in movimento sono un processo di raccolta di informazioni che porta alla percezione di un oggetto".

Gli scienziati hanno studiato le onde cerebrali in movimento durante l'anestesia, ma le hanno scartate come un artefatto dell'anestesia. Il team di Reynolds, tuttavia, si è chiesto se queste onde esistano nella parte visiva del cervello durante la veglia e se svolgano un ruolo nella percezione. Hanno combinato le registrazioni nella corteccia visiva con tecniche computazionali all'avanguardia che hanno permesso loro di rilevare e tracciare le onde cerebrali in movimento.

"Per comprendere i meccanismi neurali della percezione, abbiamo dovuto sviluppare nuove tecniche computazionali per tracciare l'attività neuronale nella corteccia visiva momento per momento", afferma il co-autore Lyle Muller, professore associato finanziato da BrainsCAN presso il Dipartimento di Matematica Applicata e il Brain and Mind Institute della Western University in Ontario, Canada, e in precedenza borsista post-dottorato presso il laboratorio Sejnowski del Salk. "Abbiamo quindi utilizzato questi metodi computazionali per scoprire quale cambiamento si stesse verificando nel sistema nervoso, consentendo improvvisamente il riconoscimento degli oggetti".

Gli scienziati hanno registrato l'attività dei neuroni di un'area del cervello che conteneva una mappa completa del mondo visivo. Hanno poi tracciato le traiettorie delle onde cerebrali in movimento durante un compito di percezione visiva. Gli scienziati hanno tenuto un bersaglio sullo schermo alla soglia di visibilità, in modo che gli osservatori potessero rilevare l'oggetto solo nel 50% dei casi, e hanno registrato quando il bersaglio veniva individuato. Poiché il bersaglio non cambiava, i ricercatori hanno dedotto che la capacità dell'osservatore di percepire l'oggetto solo nella metà dei casi dovesse essere dovuta a qualche cambiamento nei segnali neurali all'interno del cervello.

Hanno scoperto che la capacità del cervello di riconoscere i bersagli era direttamente correlata a quando e dove le onde cerebrali viaggianti si verificavano nel sistema visivo: quando le onde viaggianti si allineavano con lo stimolo, l'osservatore poteva individuare il bersaglio più facilmente. Queste onde cerebrali viaggianti, che si verificavano più volte al secondo, erano simili a uno stadio di tifosi che si alzavano e alzavano le braccia, per poi abbassarle e sedersi di nuovo. Secondo il team, sembra che il sistema visivo percepisca attivamente l'ambiente esterno.

"C'è un livello spontaneo di attività nel cervello che sembra essere regolato da queste onde viaggianti", afferma il professor Salk Terrence Sejnowski, autore dell'articolo e titolare della cattedra Francis Crick. "Riteniamo che le onde siano il prodotto dell'attività che si propaga nel cervello, guidata dall'attivazione dei neuroni locali".

"Viviamo la nostra vita quotidiana pensando di vedere il mondo in modo accurato, ma in realtà il nostro cervello sta aggiungendo dettagli difficili da vedere", afferma Zac Davis, co-autore principale e corrispondente dell'articolo e borsista post-dottorato Salk presso il laboratorio Reynolds. "Ora abbiamo scoperto come il cervello intreccia informazioni difficili da vedere per percepire un oggetto".

In futuro, gli scienziati intendono esaminare se queste onde cerebrali siano coordinate tra le diverse regioni cerebrali deputate alla visione. I ricercatori ipotizzano che le onde cerebrali possano fungere da ponte tra l'elaborazione sensoriale e la percezione cosciente che emerge dal cervello nel suo complesso.

Anche Julio-Martinez Trujillo della Western University è stato autore di questo articolo.

Il lavoro è stato supportato dalla Dan and Martina Lewis Biophotonics Fellowship; dalla Gatsby Charitable Foundation; dalla Fiona and Sanjay Jha Chair in Neuroscience; dal Canadian Institute for Health Research; dalla Swartz Foundation; e dai National Institutes of Health (R01-EY028723, T32 EY020503-06 e T32 MH020002-16A).

DOI: 10.1038 / s41586-020-2802-y