Form, Timing, and Behavioral Matching of the Population Response to ALM Photoinhibition
Rianalizzando le registrazioni multi-regione con Neuropixels durante la fotoinibizione dell'ALM, questo studio dimostra che la risposta della popolazione alla perturbazione causale è distinta dagli assi di codifica legati al compito e persiste anche quando gli esiti comportamentali sono appaiati, rivelando che l'appaiamento comportamentale non garantisce stati neurali sottostanti equivalenti.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Per capire come il cervello trasformi un pensiero in un'azione, gli scienziati spesso osservano gruppi di neuroni che lavorano insieme. Immaginate una folla di persone in uno stadio; mentre ogni persona potrebbe fare qualcosa di leggermente diverso, la folla nel suo insieme si muove secondo un modello che rivela la strategia della squadra. Nelle neuroscienze, questi modelli sono chiamati attività di popolazione, e i ricercatori hanno scoperto che possono essere riassunti da alcune direzioni chiave, o assi, che tracciano ciò che un animale sta facendo, come verso quale direzione si girerà o quando si muoverà. Questi riassunti sono potenti perché collegano l'attività disordinata e complessa delle singole cellule cerebrali a comportamenti chiari e osservabili. Tuttavia, rimane una domanda fondamentale: se diamo un colpo al cervello e lo costringiamo a cambiare, questo cambiamento segue gli stessi modelli ordinati che vediamo durante il comportamento normale? O il cervello reagisce in modo caotico e imprevedibile, che non ha nulla a che vedere con il compito in corso? Rispondere a questo aiuta a capire se la macchina interna del cervello è rigidamente bloccata nei suoi obiettivi o se possiede uno strato di attività flessibile e nascosto che opera indipendentemente.
Un ricercatore dell'Università di Yale ha affrontato questa questione studiando topi che eseguivano un compito guidato dalla memoria. I topi dovevano ricordare una direzione e poi leccare un beccuccio a sinistra o a destra dopo un segnale. Lo scienziato ha registrato l'attività di migliaia di neuroni attraverso cinque diverse parti del cervello coinvolte in questo compito: la corteccia motoria anteriore laterale, lo striato, il talamo, il mesencefalo e il midollo allungato. Per vedere come il cervello reagisce a una improvvisa interruzione, il ricercatore ha usato un laser per silenziare temporaneamente una specifica area del cervello chiamata corteccia motoria anteriore laterale per mezzo di un secondo, proprio prima che apparisse il segnale di movimento. Ha poi confrontato l'attività cerebrale durante questi momenti di silenzio con l'attività durante le prove normali in cui non veniva usato il laser. L'obiettivo era vedere se la reazione del cervello al laser rientrasse negli stessi semplici modelli che di solito descrivono la scelta e il movimento del topo, o se la reazione fosse qualcosa di completamente diverso.
I risultati hanno rivelato un sorprendente disconnessione tra la reazione del cervello al laser e i modelli che di solito descrivono il comportamento del topo. Nei primi 20-120 millisecondi dopo l'accensione del laser, il cambiamento nell'attività cerebrale è stato massiccio, eppure solo una minuscola frazione di esso, tra il 5 e l'8 percento, rientrava nelle direzioni che normalmente predicono se il topo leccerà a sinistra o a destra. Ciò significa che, quando il cervello è stato disturbato, non si è semplicemente spostato lungo il percorso che di solito percorre per prendere una decisione. Invece, il disturbo ha spinto l'attività cerebrale in un vasto territorio inesplorato che non aveva nulla a che vedere con la specifica scelta che il topo stava per compiere. Questa scoperta è risultata valida in tutte e cinque le regioni cerebrali studiate, dimostrando che la risposta immediata del cervello a uno shock è in gran parte indipendente dal compito che sta cercando di svolgere.
Mentre l'esperimento proseguiva e il segnale di movimento appariva, la situazione è diventata ancora più interessante. Il ricercatore ha osservato per vedere se l'attività cerebrale si sarebbe infine riallineata con il compito mentre il topo si preparava a muoversi. Ha scoperto che, sebbene la capacità del cervello di predire la scelta del topo migliorasse drasticamente con l'avvicinarsi del momento dell'azione, la differenza specifica causata dal laser non seguiva lo stesso andamento. Anche quando il topo stava per leccare, la parte dell'attività cerebrale che era diversa a causa del laser rimaneva bloccata in quel territorio estraneo al compito. Non migrava di nuovo verso i percorsi abituali del processo decisionale. Ciò suggerisce che la reazione del cervello a una perturbazione non sia solo un glitch temporaneo che viene corretto dal compito; piuttosto, la perturbazione lascia un segno distinto che persiste anche mentre il cervello si prepara con successo all'azione.
Infine, il ricercatore si è posto una domanda critica: se il topo riesce comunque a leccare nella direzione giusta al momento giusto, significa che il cervello è tornato a uno stato normale? Per scoprirlo, ha accoppiato attentamente le prove con il laser con le prove normali che avevano esattamente la stessa direzione della leccata e lo stesso tempo di reazione. Si aspettavano che, se il comportamento fosse stato identico, anche l'attività cerebrale sarebbe stata identica. Tuttavia, hanno scoperto che, anche quando il comportamento era perfettamente corrispondente, l'attività cerebrale nelle prove con il laser era ancora misurabilmente diversa dalle prove normali. Nella corteccia motoria, questa differenza era minore prima della leccata rispetto a durante il laser, ma non è mai scomparsa completamente. Questo prova che due prove possono apparire esattamente uguali dall'esterno, mentre il cervello all'interno si trova in uno stato fondamentalmente diverso. Il cervello può produrre lo stesso risultato attraverso percorsi interni differenti, e una perturbazione può lasciare una storia nascosta nell'attività neurale che la semplice osservazione del movimento del topo non può rivelare.
Queste scoperte ridefiniscono la nostra comprensione di come il cervello gestisce le interruzioni. Dimostrano che la risposta del cervello a un disturbo non è semplicemente una deviazione lungo il percorso del compito, ma uno spostamento complesso in un tipo diverso di spazio di attività. Inoltre, dimostrano che far corrispondere il comportamento di un animale non garantisce che il suo cervello sia tornato a uno stato normale. Il cervello può fare qualcosa di molto diverso internamente pur producendo la stessa azione esterna. Questa distinzione è cruciale per comprendere come funzionano i circuiti neurali, suggerendo che il cervello possiede uno strato ricco e nascosto di dinamiche che opera accanto a, ma separatamente da, i modelli visibili di decisione e movimento. Lo studio lascia aperta la questione se queste differenze nascoste contino per ciò che accade dopo, ma stabilisce fermamente che lo stato interno del cervello è molto più complesso e resiliente di quanto una semplice corrispondenza del comportamento possa suggerire.
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