Cellular code for mnemonic pattern separation in the human hippocampus is revealed by false memories

Il cervello umano è un maestro della memoria, capace di conservare vaste biblioteche di esperienze personali, dal sapore di un pasto dell'infanzia al volto di un amico. Eppure, questa capacità si basa su un delicato gioco di equilibrio. Per funzionare bene, il cervello deve riconoscere che un oggetto familiare è lo stesso che ha già visto in precedenza, anche se l'illuminazione o l'angolazione sono cambiate. Allo stesso tempo, deve essere abbastanza acuto da distinguere un nuovo oggetto che appare quasi identico a uno vecchio, evitando la confusione. Questa capacità di distinguere tra cose molto simili è nota come separazione dei pattern. Per decenni, gli scienziati hanno dibattuto se questo specifico potere computazionale esista nel cervello umano. Mentre gli studi sui roditori hanno mostrato prove chiare di questo processo nell'ippocampo, una struttura cerebrale profonda vitale per la memoria, gli studi sugli esseri umani sono stati inconcludenti. I precedenti tentativi di osservare questo fenomeno nelle persone tramite scansioni cerebrali erano troppo sfocati per mostrare il lavoro delle singole cellule, e altri studi suggerivano che le cellule della memoria umana fossero troppo ampie e generiche per fare distinzioni sottili. Senza un segnale chiaro da un singolo neurone, la questione se gli esseri umani possiedano davvero questo filtro della memoria così raffinato rimaneva senza risposta.

Un team di ricercatori ha ora risolto questo dibattito ascoltando direttamente l'attività elettrica delle singole cellule cerebrali nelle persone. Hanno lavorato con 97 pazienti sottoposti a chirurgia per l'epilessia, una condizione che richiede ai medici di posizionare minuscoli elettrodi in profondità nel cervello per localizzare la fonte delle crisi. Questi elettrodi hanno permesso agli scienziati di registrare l'attività di 3.506 neuroni mentre i pazienti giocavano a un gioco di memoria. Nel gioco, i pazienti studiavano prima una serie di immagini. Successivamente, venivano loro mostrate un mix di immagini vecchie e nuove che assomigliavano molto a quelle vecchie. I pazienti dovevano decidere se avevano visto prima ogni immagine e quanto fossero sicuri della loro risposta. A volte, i pazienti commettevano errori, credendo erroneamente di aver visto in precedenza un'immagine nuova. Questi errori, noti come falsi allarmi, accadono quando il cervello non riesce a separare l'immagine nuova dalla vecchia memoria. Analizzando questi momenti specifici di errore, i ricercatori hanno potuto vedere come il cervello gestiva la confusione.

Lo studio ha rivelato che il cervello possiede effettivamente un meccanismo di separazione dei pattern, ma che questo è eseguito da un tipo di cellula specifico e raro. I ricercatori hanno scoperto che, quando un paziente ricordava correttamente un'immagine vecchia, molte cellule cerebrali si attivavano in modo prevedibile. Tuttavia, la scoperta critica è avvenuta quando un paziente commetteva un errore e chiamava un'immagine nuova e simile "vecchia". In questi momenti, un gruppo distinto di cellule nell'ippocampo continuava a segnalare che l'immagine era in realtà nuova, anche se il paziente diceva che era vecchia. Queste cellule ignoravano la decisione errata del paziente e restavano fedeli alla verità di ciò che l'immagine era. I ricercatori hanno chiamato queste "cellule di separazione dei pattern". Hanno scoperto che queste cellule erano presenti nell'ippocampo, nell'amigdala e in altre aree, ma erano più efficaci nell'ippocampo. Al contrario, altre cellule del cervello segnalavano semplicemente ciò che il paziente decideva di dire, indipendentemente dal fatto che la decisione fosse giusta o sbagliata. Ciò ha dimostrato che il cervello contiene due flussi paralleli di informazioni: uno che detiene la verità fattuale della memoria e un altro che riflette la scelta finale fatta dalla persona.

I ricercatori sono andati oltre per capire come queste cellule creino la sensazione della forza della memoria. Quando le persone sono molto sicure di ricordare qualcosa, la loro attività cerebrale è forte; quando non sono sicure, è più debole. Lo studio ha mostrato che le cellule di separazione dei pattern sono responsabili della creazione di questo gradiente fluido di fiducia. Quando i ricercatori hanno matematicamente rimosso l'attività di queste specifiche cellule dalla loro analisi, la chiara differenza tra memorie ad alta fiducia, memorie a bassa fiducia e falsi allarmi è scomparsa. La capacità del cervello di distinguere tra una memoria forte e una debole è crollata. Ciò suggerisce che queste cellule rare siano il motore che guida la nostra capacità di sentire quanto siamo sicuri di una memoria. Senza di esse, il cervello farebbe fatica a distinguere tra un ricordo vivido e un semplice indovinare.

Anche la posizione di queste cellule era importante. Il segnale di separazione dei pattern era più forte nel lato destro dell'ippocampo, la parte del cervello che elabora le informazioni visive. Nei pazienti le cui crisi originavanovano nell'area in cui queste cellule sono state registrate, il segnale era più debole o assente, il che si allinea con i noti problemi di memoria che questi pazienti spesso affrontano. Lo studio ha anche confermato che gli errori commessi dai pazienti non erano casuali. La probabilità di confondere un'immagine nuova con una vecchia dipendeva interamente da quanto le due immagini fossero visivamente simili. Più le immagini apparivano simili, più era probabile che il cervello fallisse nella separazione, portando a un falso ricordo. Ciò ha confermato che gli errori erano il risultato diretto della lotta del cervello per distinguere tra pattern simili, piuttosto che una mancanza di attenzione o un indovinare casuale.

Questo lavoro fornisce la prima prova diretta della separazione dei pattern nel cervello umano a livello di singole cellule. Dimostra che l'ippocampo umano contiene una popolazione specializzata di neuroni che agiscono come un filtro, assicurando che le nuove esperienze simili siano mantenute distinte da quelle vecchie. Quando questo filtro funziona, possiamo riconoscere volti e luoghi familiari senza confusione. Quando fallisce, potremmo scambiare uno sconosciuto per un amico o un nuovo oggetto per uno vecchio. Lo studio non si limita a confermare che questo processo esista; identifica la macchina biologica specifica che lo rende possibile, offrendo una nuova finestra su come la mente umana mantenga i suoi ricordi chiari e distinti.