Increased activity without changes in coupling between somata and apical dendrites during visual mismatches

Il cervello non è una telecamera passiva che si limita a registrare il mondo così come appare. È invece un predittore attivo, che genera costantemente ipotesi su ciò che accadrà in seguito basandosi su tutto ciò che ha appreso dal passato. Quando allunghi la mano per prendere una tazza di caffè, il tuo cervello ha già anticipato il suo peso e la sua posizione prima ancora che la tua mano si muova. Questa capacità di confrontare i dati sensoriali in entrata con le aspettative interne è una teoria fondamentale del funzionamento della corteccia, lo strato esterno del cervello. Gli scienziati sospettano da tempo che, quando la realtà non corrisponde a queste previsioni, il cervello generi un segnale specifico per segnalare l'errore. Tuttavia, dimostrare esattamente come ciò avvenga è stato difficile perché il cervello elabora questi segnali in modi complessi, spesso coinvolgendo diverse parti della stessa cellula nervosa che lavorano insieme contemporaneamente.

Per comprendere questo processo, i ricercatori si sono concentrati sul neurone piramidale, un tipo comune di cellula cerebrale dalla forma a piramide. Queste cellule hanno un corpo principale, chiamato soma, che funge da centro di comando, e un lungo braccio ramificato chiamato dendrite apicale che si estende lontano per ricevere informazioni. Alcune teorie suggeriscono che il dendrite riceva previsioni "top-down" (dall'alto verso il basso) da altre parti del cervello, mentre il soma riceva dati "bottom-up" (dal basso verso l'alto) dai sensi. L'idea è che la cellula confronti questi due flussi di informazioni per rilevare un disallineamento. Se la previsione è errata, la cellula potrebbe attivarsi diversamente o cambiare il modo in cui le sue parti comunicano tra loro. La grande domanda è stata se questo confronto avvenga all'interno di una singola cellula e, in tal caso, se il corpo e il lungo braccio della cellula reagiscano in modo coordinato quando si verifica una sorpresa.

Un gruppo di ricercatori si è posto l'obiettivo di osservare questo processo in tempo reale utilizzando dei topi. Volevano vedere se riuscivano a cogliere queste cellule nel momento in cui rilevano una sorpresa e, nello specifico, se la sorpresa causasse l'accensione simultanea o separata del corpo cellulare e del lungo braccio della cellula. Per farlo, hanno utilizzato un microscopio sofisticato in grado di guardare in profondità nei cervelli di topi svegli e in movimento. Si sono concentrati sulla corteccia visiva, la parte del cervello che elabora ciò che gli occhi vedono. Hanno addestrato i topi a osservare specifiche sequenze di immagini finché gli animali non si fossero abituati, insegnando essenzialmente ai topi cosa aspettarsi. Successivamente, i ricercatori hanno introdotto cambiamenti inaspettati nelle sequenze per vedere come reagiva il cervello.

L'esperimento prevedeva due tipi di stimoli visivi molto diversi. In primo luogo, i topi hanno osservato brevi clip di scene naturali, come vermi che si dimenano nel terreno o topi che corrono all'aperto. Queste clip venivano riprodotte in avanti fino a quando i topi non erano abituati, e poi, inaspettatamente, una parte della clip veniva riprodotta al contrario. Questo inversione rompeva il flusso naturale del tempo e del movimento, creando una vera sorpresa per l'animale. In secondo luogo, ai topi venivano mostrate sequenze di forme artificiali semplici chiamate patch di Gabor, che sono essenzialmente barre di luce sfocate ad angoli specifici. Questi patch cambiavano secondo un modello prevedibile e poi, inaspettatamente, uno dei patch ruotava a un angolo diverso. I ricercatori hanno utilizzato un microscopio a doppio piano per registrare l'attività sia dei corpi cellulari che delle estremità distanti dei dendriti di migliaia di neuroni simultaneamente. Ciò ha permesso loro di vedere se le due parti della cellula reagivano in sincronia quando si verificava una sorpresa.

I risultati sono stati chiari e sorprendenti per le clip di filmati naturali. Quando il video si invertiva improvvisamente, i neuroni nella corteccia visiva attivavano più intensamente rispetto a quando la stessa clip veniva riprodotta in un ordine completamente invertito e non sorprendente. Questa maggiore attività era un segno che il cervello aveva rilevato un disallineamento tra ciò che si aspettava e ciò che vedeva. Fondamentalmente, questa reazione avveniva sia nei corpi cellulari che nei dendriti apicali. Le due parti della cellula mostravano un'attività aumentata, ma i ricercatori hanno scoperto che la relazione o "accoppiamento" tra di esse non cambiava durante la sorpresa. Questo schema era coerente in diversi strati della corteccia visiva e in diverse regioni del cervello. I ricercatori hanno anche scoperto che questa reazione era più forte quando i topi incontravano la prima volta l'inversione e diminuiva gradualmente man mano che i topi venivano esposti alla sorpresa ripetutamente nel corso di diversi giorni, suggerendo che il cervello stesse imparando a incorporare il nuovo modello nelle proprie aspettative.

Tuttavia, la storia cambiava completamente quando i ricercatori passavano alle patch di Gabor artificiali. Nonostante l'attenta progettazione dell'esperimento, i topi non mostravano gli stessi chiari segni di sorpresa quando l'orientamento delle forme semplici cambiava inaspettatamente. I neuroni non si attivavano significativamente di più in risposta all'angolo errato rispetto alle sequenze di controllo. I ricercatori hanno escluso diverse spiegazioni alternative, come il semplice fatto che le cellule fossero stanche a causa della visione ripetuta o che reagissero alla novità di una nuova forma. I dati suggerivano che il sistema visivo è altamente specializzato per il flusso complesso e continuo delle scene naturali, ma non tratta le sequenze artificiali e semplici nello stesso modo. Il cervello sembra avere aspettative basate sulla statistica del mondo naturale e fatica a generare lo stesso tipo di segnale di errore quando tali aspettative vengono violate da modelli astratti e creati dall'uomo.

Forse il reperto più significativo riguardava il modo in cui le diverse parti del neurone comunicavano tra loro. Molte teorie prevedevano che, quando si verifica un disallineamento, la connessione tra il corpo cellulare e il dendrite cambierebbe, forse diventando più forte o più debole per facilitare il segnale di errore. I ricercatori hanno cercato prove di ciò misurando quanto fosse stretto l'accoppiamento tra l'attività nel dendrite e l'attività nel corpo cellulare. Hanno scoperto che non c'era alcuna prova che questo accoppiamento cambiasse durante la sorpresa. Le due parti della cella rimanevano con lo stesso livello di connessione durante un disallineamento rispetto a una sequenza normale ed attesa, il che significa che il cervello non faceva affidamento su un improvviso cambiamento nel modo in cui queste due compartimentazioni interagiscono per segnalare un errore. Invece, l'intera cellula diventava semplicemente più attiva in modo unificato quando rilevava una deviazione dal mondo naturale.

Queste scoperte offrono una nuova prospettiva su come il cervello elabori il mondo visivo. Confermano che la corteccia visiva è sensibile alle deviazioni dai modelli naturali, generando un segnale robusto quando il flusso della realtà viene interrotto. Tuttavia, mostrano anche che questa sensibilità non è una risposta universale a tutte le sorprese; è specifica per gli input complessi e dinamici che il cervello si è evoluto per gestire. Inoltre, lo studio mette in discussione l'idea che il meccanismo di rilevamento dell'errore del cervello dipenda da una drammatica riconfigurazione di come le parti di un singolo neurone interagiscono. Il cervello sembra utilizzare una forma di comunicazione più distribuita e stabile, in cui l'intera cellula si "sveglia" semplicemente per segnalare che qualcosa nel mondo naturale è andato storto. Questo lavoro aiuta a chiarire il meccanismo biologico dietro la predizione, mostrando che i nostri cervelli sono finemente sintonizzati sul ritmo della natura, ma forse meno su quelli dei modelli rigidi e artificiali.