Il cervello dinamico

Negli ultimi anni c'è stato un interesse crescente quello che viene chiamato "risonanza magnetica funzionale a riposo", una tecnica per vedere cosa sta facendo il tuo cervello quando non stai facendo molto di niente. Si scopre che i cervelli a riposo sono piuttosto irrequieti, consumano molta più energia di quando fanno . Più interessante, l'attività "a riposo" non è casuale, ma altamente coerente, coerente e prevedibile. La scoperta del caratteristico comportamento di riposo del cervello ha portato alcuni anni fa alla postulazione di una "rete predefinita" per il cervello, un insieme di regioni che cooperano costantemente per fare. . . bene, cosa, esattamente, non lo sappiamo. Ma sicuramente deve essere qualcosa di interessante. Il tuo cervello difficilmente sprecherebbe tutta quell'energia ballando al ritmo del suo batterista interiore, se non ci fosse un motivo per farlo, giusto?

La nostra ignoranza riguardo alla funzione di tutte queste fluttuazioni non è per mancanza di tentativi. La scoperta della rete predefinita del cervello ha portato a centinaia di studi relativi alla rete di default della struttura anatomica del cervello, nonché a disturbi dell'umore come la depressione, problemi dello sviluppo come l'autismo e malattie degenerative come l'Alzheimer. È stato anche suggerito che l'attività dello stato di riposo detiene la chiave (cue voce profonda ed effetto eco) per comprendere la coscienza stessa . Ora, quando i neuroscienziati iniziano a brandire la parola C, ci sono due reazioni prevedibili: aumento dell'interesse pubblico e dell'attenzione; e maggiore controllo e critica scientifica. Entrambi sono accaduti qui, generando un gruppo di entusiasti aderenti e un altrettanto impegnato gruppo di critici, che si chiedono se dovremmo continuare a sprecare la nostra energia per capire perché il cervello sembra sprecare energia. Oppure, come un importante neuroscienziato me lo ha riferito di recente, "È solo una moda passeggera. Io lo odio. "

Le allusioni iperboliche contro il mistero della coscienza escluso, non penso che nessuno dovrebbe odiarlo. Ma vedere perché dovremmo preoccuparci dell'attività intrinseca del cervello ci impone di pensare alla funzione cerebrale in un modo nuovo e sconosciuto.

Il cervello è, in sostanza, una collezione di oscillatori: miliardi di yo-yo biologici che vanno avanti e indietro all'infinito. La carica elettrica nei singoli neuroni sale e scende; così come le concentrazioni locali di neurotrasmettitori come la dopamina e la serotonina, la quantità di ossigeno nel sangue locale e il campo elettrico generale del cervello (creando le onde cerebrali che si possono vedere con un EEG). Ognuna di queste oscillazioni ha un ritmo diverso per circostanze diverse, come le veloci onde "beta" che si vedono nel cervello vigile e le più lente onde "delta" del sonno senza sogni. Questi ritmi interagiscono in vari modi, dall'inclinazione condivisa di una danza lenta, agli alti e bassi a controbilanciati di due bambini su un'altalena, fino all'interazione complessa e sincopata di una jazz band. E come tutti i pendoli, anche i vari oscillatori del cervello hanno il suo swing preferito, un modo in cui si muoverà se lasciato ai propri dispositivi. La combinazione di tutte queste oscillazioni individuali, periodiche e preferite è lo stato di riposo del cervello.

Il che ci porta al primo motivo per preoccuparci dell'attività intrinseca: ciò che in genere pensiamo come funzione del cervello: vedere, pensare, decidere, agire è in realtà un disturbo , un'alterazione delle naturali armonie del cervello. Quando pensiamo alla funzione cerebrale, quindi, non è sufficiente chiedere "perché questa attività?", Dobbiamo anche chiedere "perché questo cambiamento ?". Perché questo input (percettivo, comportamentale, elettrico, chimico) causa questa esatta deviazione? Se vogliamo comprendere le particolari sensibilità del cervello, dobbiamo sapere non solo che parte di esso reagisce ad alcuni stimoli o compiti, ma quanto reagisce e che altro reagisce (e interagisce) con esso. Lo stato di riposo fMRI è un metodo per accertare lo sfondo in base al quale tali cambiamenti devono essere misurati.

Allo stesso modo, proprio come nella musica nessuna nota ha un significato isolato, così anche l'attività locale del cervello può essere pienamente compresa solo se inserita nel suo contesto. Considerate a questo proposito le cellule dei posti ippocampali, quei neuroni famosi per sparare ogni volta che un animale si trova in un punto particolare del mondo. L'apparente mappatura uno a uno tra le cellule dell'ippocampo e le posizioni ambientali ha portato la loro funzione a essere compresa in termini di semplice rappresentazione della posizione, come se ogni cellula fosse progettata per dire: "tu sei qui." Ma queste cellule sono state nel notizie ultimamente a causa della scoperta che sono anche attivate sequenzialmente prima della nuova esplorazione spaziale, che indica che la loro funzione non è così semplice, e sottolinea il punto sopra che per capire l'attività del cervello ora bisogna anche considerare quale fosse la sua attività e sarà . [Dragoi, G. & Tonegawa, S. (2011). Preplay di future sequenze di cellule del luogo da assemblaggi cellulari ippocampali Nature , 469: 7330 (397-401).]

Inoltre, e più al punto attuale, queste cellule sparano non solo quando un animale si trova in un determinato luogo, ma anche prima e subito dopo. È interessante notare che le differenze tra il licenziamento simultaneo (il segnale "tu sei qui"), il licenziamento prospettico (segnalazione prima di essere in una posizione) e il tiro retrospettivo (segnalazione dopo che l'animale ha lasciato una posizione) non è contrassegnato da alcuna differenza l'attività del neurone stesso, ma piuttosto dalla sua relazione con l'oscillazione theta-band (~ 6-10 Hz) di fondo dell'intero Hippocampus. Nel suo ruolo retrospettivo, la cellula spara prima, e nel suo ruolo futuro, nel ciclo theta di quanto non faccia quando l'animale si trova effettivamente nella posizione in questione. [Buckner, RL (2010). Il ruolo dell'ippocampo nella predizione e nell'immaginazione. Annual Review of Psychology , 61: 27-48.]

Posiziona i fuochi della cella B in momenti diversi rispetto all'onda theta di sfondo mentre il ratto si sposta dalle posizioni da A a C

Figura: Posiziona gli incendi della cella B in momenti diversi rispetto all'onda theta di sfondo mentre il ratto si muove dalle posizioni A a C. Ristampato da Buckner (2010) con il permesso dell'autore.

In altre parole, ciò che l'attività di questa cellula significa – che in realtà è il segnale – dipende da come tale attività si riferisce alle oscillazioni di fondo in corso.

Quindi, comprendere lo stato di riposo è importante perché attira la nostra attenzione sul contesto sempre presente in cui la funzione deve essere misurata e valutata nel senso. Nel cervello dinamico, l'attività locale è sempre un cambiamento rispetto a ciò che stava accadendo in precedenza e si verifica in relazione a tutte le altre cose che accadono ora.

È difficile pensare al cervello in questo modo, soprattutto data la continua influenza della metafora computerizzata per il cervello, e del focus sulla localizzazione (visione qui, linguaggio laggiù, controllo motorio in questo bit) che abbiamo ereditato da una precedente età delle indagini neuroscientifiche. In un computer ciò che conta è la natura dell'elaborazione locale, cosa sta succedendo in questo chip in questo momento. I processi in background sono irrilevanti per il processo di interesse, che può quindi essere isolato e studiato in sicurezza in quanto tale. Ma il cervello non è quel tipo di macchina: lo sfondo non è irrilevante, e le relazioni tra le oscillazioni fanno un sacco di lavoro funzionale.

Questo ci lascia ancora molto da pensare. Che cosa significa per la funzione cerebrale essere definita non solo dalle caratteristiche intrinseche dell'attività neurale di supporto, ma anche dalla deviazione che rappresenta da qualche valore predefinito? Il passaggio da un equilibrio dinamico a un altro può essere esso stesso un evento funzionale? Com'è possibile che una macchina lavori con le oscillazioni stesse, ma con le relazioni tra loro? Siamo molto lontani dal rispondere a queste domande, ma abbiamo fatto alcuni promettenti inizi. Uno sviluppo teorico di particolare interesse è chiamato calcolo a stato liquido, un tentativo di comprendere come l'elaborazione delle informazioni può essere effettuata da oscillatori variamente accoppiati che rispondono agli input come fa un laghetto a una pietra. Dedicherò qualche post futuro per spiegare come la funzione del cervello possa sorgere da tali increspature interagenti nell'etere neurale. Per ora, tuttavia, il punto importante è questo: misurare, caratterizzare e riflettere sulle dinamiche di riposo del cervello sono importanti primi passi verso la comprensione delle dinamiche funzionali del cervello, in termini molto più appropriati alla realtà biologica rispetto agli elettroni che sfrecciano in isolamento processori di silicio.

(Credito dell'immagine musicale-cervello: ScriptPhD.com)

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