Scoperta l’origine del ritmo affascinante delle onde lente nel cervello

Le onde lente del sonno profondo, quelle che hanno un ritmo di circa un ciclo al secondo, avevano finora un’origine sconosciuta e se ne ipotizzava il coinvolgimento nei processi di consolidamento della memoria. Una ricerca, condotta dai ricercatori della Technische Universitaet Muenchen (TUM), dimostra che le onde hanno origine da un piccolo gruppo di neuroni. Un meccanismo stupefacente permette di creare questo ritmo che alterna segnali provenienti da diverse zone del cervello.

“Il cervello è una sorta di macchina del ritmo, che ne produce diversi tipi costantemente “, dice il Prof. Arthur Konnerth della Technische Universitaet Muenchen (TUM). “Sono gli orologi che aiutano a mantenere molte parti del cervello coordinate.” Uno di questi ritmi è costituito dalle onde lente del sonno profondo, che si pensa siano coinvolte nel trasformare frammenti di esperienza e di apprendimento di una giornata in un ricordo duraturo. Possono essere osservate nelle fasi iniziali dello sviluppo, e possono essere interrotte nelle malattie come l’Alzheimer.

Studi precedenti, basandosi principalmente su misurazioni dei segnali elettrici, non sono riusciti ad individuare l’origine di queste onde. Ma usando la luce, i ricercatori tedeschi in collaborazione con ricercatori di Stanford e dell’Università di Mainz, sono riusciti a stimolare e osservare le onde lente e osservarle con un dettaglio senza precedenti. Uno dei risultati chiave ha confermato che le onde lente nascono solo nella corteccia, escludendo altre ipotesi. “La seconda scoperta importante,” ha detto Konnerth, “è che fra miliardi di cellule nel cervello, ci vogliono non più di un gruppo locale di 50-100 neuroni in un profondo strato della corteccia, chiamata strato 5, per creare un’onda che si propaga in tutto il cervello “.

Le indagini sono state svolte grazie ad un sistema di rilevamento ottico di cervelli intatti di topi vivi e anestetizzati.

“Abbiamo implementato un approccio optogenetico combinato con il rilevamento ottico di attività neuronali per esplorare le caratteristiche causali di queste oscillazioni lente, o transizioni di stato Up-Down, che rappresentano il ritmo di rete dominante nel sonno”, spiega il Prof. Albrecht Stroh della Johannes Gutenberg di Mainz. L’optogenetica è una nuova tecnica che ha permesso ai ricercatori di inserire canali sensibili alla luce in specifici tipi di neuroni, per renderli sensibili alla stimolazione luminosa. Questo ha permesso la stimolazione selettiva e spazialmente definita di un piccolo numero di neuroni corticali e del talamo.

In questo modo è stato possibile osservare singoli fronti di diffusione dell’ onda, come le increspature di un sasso gettato in un lago tranquillo, prima attraverso la corteccia e poi attraverso altre strutture cerebrali.

La novità che emerge dalla ricerca è che non solo è possibile per un piccolo gruppo locale di neuroni di avviare un’onda lenta che si diffonde in più regioni del cervello. “In condizioni spontanee”, dice Konnerth “, come accade a voi e me e a tutti gli altri, ogni notte durante il sonno profondo, ogni parte della corteccia può essere un sito di inizio.” Inoltre, può essere evidenziato un protocollo di comunicazione sorprendentemente semplice nel ritmo delle onde lente.

Durante ogni ciclo di un secondo ogni singolo cluster di neuroni invia il segnale a tutti gli altri e questi tacciono, come se facessero il turno per lanciare al cervello frammenti di esperienza o di apprendimento, costruendo così blocchi di memoria.  

I ricercatori considerano questi risultati come un passo avanti verso una migliore comprensione dell’ apprendimento e della formazione della memoria. Ora i ricercatori stanno anche  testando come le onde lente si comportano durante la malattia.