Temporal precision of sparse highly reliable neurons anchors sequential activity underlying short-term memory encoding in posterior parietal cortex
Questo studio rivela che la memoria a breve termine nella corteccia parietale posteriore si basa su un codice temporale rado ancorato a un piccolo sottoinsieme di neuroni altamente affidabili, il cui preciso tempo di scarica è critico per mantenere la fedeltà dell'informazione e guidare le decisioni comportamentali oltre quanto i tassi di scarica da soli possano fornire.
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Per tenere a mente un numero di telefono per alcuni secondi mentre lo si compone, il cervello deve mantenere viva una traccia fugace di informazione senza alcun aiuto esterno. Questo schema di mantenimento mentale, noto come memoria a breve termine, si affida a specifiche regioni cerebrali, tra cui la corteccia parietale posteriore, un'area nella parte posteriore del cervello coinvolta nell'elaborazione delle informazioni sensoriali e nella guida delle decisioni. Per decenni, gli scienziati hanno creduto che questa memoria fosse mantenuta da un ronzio elettrico costante e continuo di molti neuroni che sparavano insieme, come un coro che tiene una singola nota lunga. Tuttavia, ricerche più recenti hanno suggerito che la memoria potrebbe invece essere conservata in una sequenza di attivazione rapida e ordinata, dove diversi neuroni si alternano nell'attivarsi secondo un modello preciso. Una domanda critica rimaneva: il tempo esatto di questi turni è importante, o è sufficiente che i neuroni giusti scattino semplicemente al momento giusto, indipendentemente dall'ordine di frazioni di secondo?
Un team di ricercatori presso il Korea Brain Research Institute e il Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology si è posto l'obiettivo di rispondere a questo quesito osservando i cervelli di topi mentre eseguivano un compito di memoria. Ai topi veniva mostrato un segnale visivo che si muoveva verso sinistra o verso destra e dovevano ricordare quella direzione per circa due secondi prima di scegliere il lato corretto per ottenere una ricompensa di acqua. Utilizzando una telecamera specializzata che poteva vedere l'attività di singole cellule nervose, gli scienziati hanno registrato come i neuroni nella corteccia parietale posteriore si comportassero durante questo periodo di attesa. Hanno scoperto che l'idea di un coro uniforme e costante era errata. Invece, la memoria era ancorata da un piccolissimo gruppo di neuroni, che costituivano solo circa il dieci per cento della popolazione totale, i quali attivavano con una affidabilità e una precisione temporale eccezionali. I ricercatori li hanno chiamati i "neuroni altamente affidabili".
Mentre la maggior parte dei neuroni nel cervello mostrava una temporizzazione variabile, attivandosi in momenti leggermente diversi da un tentativo all'altro, questo piccolo gruppo d'élite si attivava con una costanza sorprendente. Questi neuroni altamente affidabili non erano raggruppati all'inizio o alla fine del periodo di memoria; erano sparsi durante i due secondi di ritardo, apparendo in momenti diversi per formare una spina dorsale rada per la memoria. Gli scienziati hanno scoperto che l'ordine sequenziale di questi neuroni veniva interrotto quando il topo non ricordava correttamente la direzione, con l'attività che scivolava verso modelli rappresentanti la scelta errata. Al contrario, durante i tentativi riusciti, l'ordine di attivazione rimaneva costante. Ciò suggeriva che la stabilità della memoria dipendeva fortemente dalla stabilità di questo piccolo sottoinsieme di cellule.
Per testare se il tempo esatto di queste attivazioni fosse effettivamente necessario affinché la memoria funzionasse, i ricercatori hanno eseguito un esperimento digitale. Hanno preso i dati registrati e hanno rimescolato la temporizzazione degli impulsi per l'intera popolazione durante il periodo di ritardo, confondendo l'ordine in cui si attivavano pur mantenendo lo stesso numero totale di segnali e la loro forza esattamente identici. Quando hanno provato a usare questi dati rimescolati per prevedere la scelta del topo, l'accuratezza è diminuita significativamente. Ciò ha dimostrato che il cervello non stava solo contando quante volte i neuroni si attivavano, ma dipendeva criticamente dalla precisa sequenza e dal tempo di quelle attivazioni. L'informazione andava perduta quando la temporizzazione veniva rimescolata, anche se i livelli di attività complessivi rimanevano invariati.
Lo studio ha inoltre rivelato che questo piccolo gruppo di neuroni altamente affidabili era sufficiente a sostenere l'intero carico della memoria. Quando i ricercatori hanno usato solo il dieci per cento di questi neuroni precisi per decodificare la scelta del topo, hanno ottenuto quasi lo stesso tasso di successo di quando hanno usato l'intera popolazione di cellule registrate. Ciò indica che gli altri neuroni, che si attivavano con meno precisione, stavano probabilmente seguendo la guida di questo nucleo rado e affidabile. I ricercatori propongono che questi neuroni altamente affidabili agiscano come un'ancora stabile, impedendo alla rete più ampia di cellule meno precise di scivolare nella confusione o nell'errore. Senza questa spina dorsale temporale precisa, la rappresentazione della memoria diventa instabile, portando a errori.
Le scoperte suggeriscono che la memoria a breve termine nel cervello non è uno stato uniforme e costante, ma un codice temporale rado guidato da poche cellule eccezionalmente precise. I ricercatori hanno anche esplorato come ciò possa accadere biologicamente, notando che questi neuroni affidabili potrebbero ricevere segnali forti e diretti da altre aree cerebrali, come il talamo, che potrebbe agire come un orologio per mantenere serrata la loro temporizzazione. Questo meccanismo potrebbe spiegare perché la memoria fallisce in certe condizioni psichiatriche in cui le connessioni tra le regioni cerebrali sono indebolite. Identificando questo piccolo e critico gruppo di neuroni, lo studio fornisce un quadro più chiaro di come il cervello mantenga le informazioni per alcuni secondi, mostrando che la precisione di pochi può garantire la memoria di molti.
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