PREVISIONI SUL SINGOLO NEURONE UMANO E DI SCIMMIA

 

 

La registrazione dell’attività di intere popolazioni di neuroni è correntemente impiegata negli studi volti a decifrare la codifica dei messaggi neuronici e, nell’ultimo decennio, ha fornito un supporto importante alla comprensione di alcune costanti che governano questo aspetto cruciale della neurofisiologia. Tuttavia, il rapporto esistente fra l’attività di estesi insiemi di cellule del sistema nervoso centrale e quella del singolo neurone, è ancora scarsamente conosciuto. Eppure, si tratta di una relazione estremamente importante ai fini della soluzione di problemi ancora insoluti, come la contrapposizione fra l’attività specializzata ed indipendente di singoli neuroni, sul modello della grandmother cell postulata da Horace Barlow, e quella di cellule nervose appartenenti a gruppi neuronici che, secondo la teoria di Gerald Edelman, possono essere implicati in funzioni diverse in momenti diversi.

Truccolo, Hochberg e Donoghue del Department of Neuroscience, Brown University, Providence (Rhode Island, USA), eseguendo esperimenti su due soggetti umani e quattro scimmie, hanno provato a verificare se lo studio dell’attività di popolazioni neuroniche (ensembles) consente di prevedere il comportamento funzionale del singolo neurone (Truccolo W., et al. Collective dynamics in human and monkey sensorimotor cortex: predicting single neuron spikes. Nature Neuroscience  13 (1), 105-111, 2010).

Gli esperimenti dimostrano che la registrazione dell’attività elettrica di gruppi di neuroni (da 20 a 200 all’incirca) della corteccia cerebrale, scelti mediante un campionamento casuale, consente di formulare previsioni abbastanza accurate circa i tempi di insorgenza del potenziale d’azione  di singole cellule appartenenti alla stessa area corticale.

Lo studio si è articolato in due parti distinte: 1) la prima parte è stata condotta con quattro scimmie e si è basata sull’analisi delle registrazioni dell’attività elettrica collettiva di piccole popolazioni costituite da un numero di cellule variabile dalle decine ad un paio di centinaia, campionate dalla corteccia motoria, premotoria e parietale durante l’esecuzione di compiti senso-motori; 2) la seconda parte è consistita nell’analisi delle registrazioni della corteccia motoria di due volontari partecipanti a prove di valutazione di protesi neurali.

Per stimare la probabilità di scarica di una singola cellula nervosa corticale in un dato istante temporale, si è fatto riferimento ad un modello (spiking history model) basato sui precedenti 100 millisecondi di scarica di un campione di neuroni della stessa area. Impiegando la ROC (Receiver Operating Characteristic) curve analysis, è stato possibile verificare il potere predittivo del modello ricavato dall’attività collettiva.

Il risultato indica che la “storia” di scariche precedenti della popolazione neuronica di riferimento, consente una ragionevole precisione nella previsione temporale della genesi dei potenziali d’azione nel singolo neurone. Infatti, in una scala in cui 0 indica assenza di potere predittivo (previsioni casuali) e 1 indica la previsione perfetta con assenza di errori, l’esito delle valutazioni ha fornito valori di potere predittivo mediano da 0.3 a 0.5.

Un passo ulteriore dello studio è consistito nell’impiegare modelli di spiking history di popolazioni neuroniche di un’area, per prevedere il comportamento di neuroni siti in un’area distante ma connessa alla prima. Questo aspetto della sperimentazione è particolarmente interessante come verifica di una previsione della teoria della selezione dei gruppi neuronici di Edelman (TSGN)[1] che, considerando tali aree collegate da rientro, ossia in grado di esprimere attività sincrona e coerente grazie a connessioni reciproche e complete, postula l’omogeneità funzionale fra i singoli neuroni appartenenti a ciascuna delle aree.

La verifica ha dimostrato un sostanziale potere predittivo inter-area dell’attività di un singolo neurone nell’immediato futuro. La distanza, intercorrente fra la popolazione dalla quale è stato ricavato il modello di previsione e la singola cellula, è tale da rendere particolarmente interessante il risultato, che può spiegarsi sulla base di proiezioni polisinaptiche di lungo raggio che funzionino secondo l’ipotesi edelmaniana.

La dimostrazione del potere di previsione del comportamento di una singola cellula della corteccia cerebrale dei primati sulla base dell’attività di popolazioni neuroniche relativamente piccole e campionate a caso, indica l’esistenza di imponenti dinamiche collettive alle quali appartiene la fisiologia della singola cellula nervosa. E’ interessante anche rapportare questi risultati a quelli che in precedenza avevano dimostrato che la registrazione dell’attività di piccole popolazioni, come quelle valutate da Truccolo e collaboratori, consentiva di prevedere eventi comportamentali come i movimenti di un braccio.

E’ comprensibile l’interesse e perfino l’entusiasmo suscitato da questo filone di studi, che potrebbe consentire a breve di stabilire un rapporto sempre più stretto fra attività dei gruppi neuronici e singoli eventi comportamentali e psichici, senza contare la possibilità di ottenere una migliore comprensione di vari aspetti relativi a patologie neurologiche e psichiatriche.

 

L’autrice della nota, che invita i visitatori del sito a leggere le recensioni di argomento connesso nelle “Note e Notizie”, ringrazia il presidente Perrella con il quale ha discusso l’argomento trattato e la dottoressa Floriani per la correzione della bozza.

 

Diane Richmond  

BM&L-Febbraio 2010

www.brainmindlife.org

 

 

[Tipologia del testo: RECENSIONE]

 

 

 

 

 



[1] Si invita alla lettura dell’illustrazione della TSGN pubblicata sul nostro sito in puntate settimanali dal 9 gennaio 2010  (prima parte) nelle “Note e Notizie”: Giuseppe Perrella illustra la teoria di Gerald Edelman.