Costruire un Diagramma-Circuito per il Cervello (Jennifer Raymond, Stanford University)

Jennifer Raymond (Stanford University) sta costruendo uno "schema elettrico" per il cervello. Colmando il gap fra le singole sinapsi e il sistema di apprendimento e memorizzazione dell'intero cervello. La ricerca della dottoressa Raymond offre nuove intuizioni e strategie per la riabilitazione medica e l'istruzione primaria.'

Website della Prof. Jennifer Raymond:
http://raymondlab.stanford.edu/

Stanford University:
http://www.stanford.edu/

Stanford University sul canale YouTube:
http://www.youtube.com/stanford

Non è sorprendente come il viso di un vecchio amico sembri così familiare anche se non lo vedete

da anni o perfino decenni? Mentre i nomi di vecchi compagni di classe possono essere dimenticati.

Vi siete mai chiesti cosa succede qui per supportare questi successi o fallimenti

di apprendimento e memoria? Beh questo è ciò di cui si occupa la ricerca nel mio laboratorio.

Cerchiamo di capire con esattezza cosa cambia nel cervello quando apprendiamo e come

quei cambiamenti persistono per supportare la memoria. Una cosa che sappiamo aiuti a spiegare

perché alcune cose sono più semplici da ricordare è che l'apprendimento non è un processo unitario.

Non vi è un singolo meccanismo di apprendimento nel cervello ma vi sono diversi tipi

di apprendimento che dipendono da diverse regioni cerebrali. Una struttura chiamata ippocampo

supporta la memoria per fatti ed eventi della vita. Questo è ciò su cui contate per ricordare

il nome di qualcuno o cos'avevate a colazione. Mentre un'altra struttura chiamata amigdala

supporta la memoria emozionale. Avreste paura dei cani anche non avendo l'esplicito ricordo

dipendente dall'ippocampo di essere stati morsi da bambini. Per cui questi sistemi di memoria

sono piuttosto indipendenti. Il ganglia basale supporta la memoria abitudinaria. È quella che

usate mentre vi lavate i denti o andate a lavoro e la vostra mente è altrove. La corteccia cerebrale

supporta l'apprendimento percettivo. Perfino funzioni basilari come essere in grado di vedere dipendono

da esprerienza e apprendimento. Questa struttura sotto è chiamata cervelletto. Supporta

l'apprendimento motorio. È il proccesso attraverso il quale aquisite abilità motorie.

Se zumassimo in una qualunque di queste aree scopriremmo che sono fatte della

stessa materia di base. I neuroni, che sono cellule specializzate del sistema nervoso, e le sinapsi che

sono le connessioni tra i neuroni che mandano il segnale dall'uno all'altro. Ma a differenza dai

cavi elettrici, le sinapsi non sono statiche e cambiano con l'esperienza. I segnali elettrici e chimici

che passano nelle sinapsi mentre processano l'informazione possono indurre cambiamenti duraturi.

Così sappiamo abbastanza di come apprendimento e memoria sono organizzati

a livello funzionale nell'intero cervello. E per di più sappiamo a sufficienza della sua applicazione

a livello cellulare con neuroni e sinapsi. La prossima grande sfida e quella che

si affronterà nel mio laboratorio è quella di riempire il gap fra questi livelli così diversi di organizzazione

e capire come l'apprendimento lavora al livello di circuiti neurali.

Perchè è l'organizzazione del livello del circuito che causa variazioni nelle sinapsi dell'ippocampo

e lo rende capace di codificare il nome di qualcuno, mentre variazioni nelle sinapsi del cervelletto

migliorano il rovescio a tennis. Molta di questa magia avviene in questo livello di circuito intermedio

di organizzazione. Ovviamente ciò non è valido solo per il cervello ma per molti aspetti

quel livello intermedio di organizzazione è fondamentale per come funzionano quelle cose.

Così per esempio se voleste capire come funziona un'auto per poterla aggiustare potreste

andare da un rivenditore di ricambi e esaminare attentamente le candele, le cinture, le guarnizioni

gomme e cose simili. Potreste anche ricorrere alla vostra esperienza come automobilisti

per sapere che c'è un sistema di accensione che fa camminare la macchina, lo sterzo

la fa girare e poi c'è il sistema frenante. Ma non è abbastanza vero? Se volete aggiustare l'auto

la cosa più importante è capire come tutte queste parti interagiscono per dare vita al motore

che fa camminare l'auto e come tutte le parti si assemblano per creare lo sterzo

che la fa girare. È questo livello intermedio di organizzazione che è necessario

se volete aggiustare l'auto. Ovviamente per le auto, abbiamo manuali di ingegneristica

e di meccanica per la riparazione che ci danno le informazioni su come le varie parti interagiscono

ma non abbiamo qualcosa di simile per il cervello. Di questo si sta occupando il mio laboratorio

perché è questo di cui abbiamo bisogno se vogliamo essere in grado di aggiustarlo. E ovviamente

noi vogliamo aggiustarlo. Uno su venti bambini ha disabilità nell'apprendimento. Una su sette persone

di più di 70 anni e metà di quelle di più di 85 hanno malattie come l'Alzheimer o legate alla demenza.

Le cure disponibili oggi non sono efficaci come vorremmo.

Esse sono principalmente farmaceutiche. Per molti farmaci abbiamo un'idea su come agiscono

a livello di neuroni o sinapsi singoli. Ma non sappiamo molto su come gli effetti

a quel livello influenzino poi il livello successivo, il circuito neurale e la sua capacità di processare

e immagazzinare informazioni. Pertanto a volte i farmaci funzionano e a volte no e spesso

non capiamo perchè. Si stanno sviluppando tecnologie nuove e molto interessanti

che ci permetteranno di manipolare il cervello con una precisione che non si raggiunge coi farmaci.

Ma anche se domani si mettesse nelle mani dei dottori una nuova tecnologia che permettesse loro

di controllare neuroni e sinapsi con tutta la precisione che vogliono, in sicurezza e senza costi,

non migliorerebbero le performance scolastiche dei bambini con disabilità di apprendimento

e non riuscirebbero ancora a prevenire handicap cognitivi o perdita della memoria negli anziani

perchè a questo punto non sappiamo davvero abbastanza sull'apprendimento

per sapere quali neuroni e sinapsi all'interno del circuito debbano essere maneggiate.

Quindi dare ai dottori questi strumenti magici sarebbe come dare a me delle simpatiche chiavi

ma nessun manuale e chiedermi di aggiustarvi l'auto. Potrei avvicinarmi e fare alcuni cambiamenti

e potrei essere fortunata ma se fosse la mia auto o il mio cervello vorrei avere

un dettagliato manuale di riparazione. Questo è ciò che il mio laboratorio vorrebbe produrre.

Cerchiamo di capire come neuroni e sinapsi collaborano nel circuito per supportare apprendimento e memoria.

Quindi cosa sappiamo dei circuiti neurali? La funzione del circuito è di computare.

Prendere un input e generare un output. Questa trasformazione dall'input all'output

è compiuta e formata da modello molto preciso di connessioni di interconnessioni sinapitche

fra i neuroni e i circuiti neurali. Questo è realmente come l'informazione è processata nel cervello.

L'informazione è processata, trasformata e usata per prendere decisioni attraverso

gli eventi di comunicazione sinaptica individuale che avvengono in un circuito neurale.

State guidando e vedete una luce gialla. Quell'input attiverà i neuroni

delle parti visuali del cervello e quando saranno attivati manderanno i segnali ai neuroni

che passano per le sinapsi. Un neurone tipico ha connessioni con migliaia di altri neuroni.

Se qualcuno di questi neuroni riceve abbastanza input questi saranno poi attivati e manderanno

il segnale al neurone successivo che manderà il segnale al prossimo neurone finché infine un output

è generato, un movimento del vostro piede

sull'acceleratore.

Molti di voi annuiscono

ma alcuni di voi disapprovano. Per coloro che disapprovano non abbiate paura perchè

quelle sinapsi che definiscono il circuito neurale non sono statiche ma possono cambiare con l'esperienza.

Per esempio

Se prendete una multa per essere passati col rosso

questo probabilmente induce cambiamenti nel cervello. Alcune sinapsi si rafforzano, altre

si indeboliscono

e questo farà si che il circuito processi l'informazione diversamente la prossima volta.

Così la prossima volta che vedete la luce gialla l'output del circuito sarà

piuttosto diversa e sposterete il piede sul freno. Questo è solo un semplice esempio

del tipo di calcolo che il cervello effettua tutti i giorni. Noi pensiamo che

virtualmente tutti i calcoli che fa il cervello sono fortemente influenzati

da esperienza e apprendimento. Il mio laboratorio si focalizza sugli effetti dell'apprendimento sul calcolo

effettuato da questa regione del cervello, il cervelletto. Il cervelletto ha alcune funzioni cognitive

ed come già accennato, gioca un ruolo chiave nell'apprendimento motorio, il processo

con cui i movimenti diventano sciolti e precisi con la pratica. Questo se pensate ai musicisti,

agli atleti, ai ballerini, ma se osservate un bambino piccolo realizzerete

che quasi tutti i movimenti sono appresi. Persino atti banali come camminare o raggiungere con precisione

qualcosa senza rovesciare niente, vengono appresi gradualmente attraverso la ripetizione e la pratica.

Persino una volta acquisiti quei movimenti con abilità, il circuito che li produce

ha bisogno di essere ricalibrato come il corpo cambia, come cresce e poi invecchia necessitiamo

una ricalibratura o i nostri movimenti ridiventano goffi come quelli di un bambino.

Questo è infatti ciò che si vede quando quest'area è danneggiata. Quindi il cervelletto

ha importanti funzioni ma la ragione per cui il mio laboratorio si focalizza su questa struttura è che

è la regione dove abbiamo più possibilità di capire come funziona l'apprendimento

al livello di circuito. Perché è così? Beh, una delle prime cose che necessitiamo

se vogliamo analizzare il circuito è lo schema elettrico. Dobbiamo sapere quali neuroni sono

connessi e come i segnali passano lungo il percorso, lungo il circuito.

Per molte funzioni dell'apprendimento non ce l'abbiamo ma lo abbiamo per diversi compiti che

dipendono dal cervelletto, e il cuore di tutto ciò è mostrato qui. Così adesso con questo schema

nelle mani siamo in grado di andare al livello successivo e chiederci come

il circuito computa e come l'apprendimento si ripercuote su quel calcolo. Il mio laboratorio si pone

tre questioni fondamentali su questo processo. La prima è dove in questo circuito avvengono

cambiamenti quando impariamo? Se giocassimo a golf questo weekend, quali sinapsi

nel cervelletto si rafforzerebbero e quali si indebolirebbero? Ci saranno connessioni

dal neurone verde al rosso o dal verde al viola? Ci saranno tipi particolari

di sinapsi che più probabilmente cambieranno rispetto ad altre? Tutti i cambiamenti avverranno

in uno stadio del percorso di processo del segnale o sono cambiamenti multipli seriali? Questi

sono i tipi di problemi che stiamo esaminando. La seconda questione fondamentale è

come i cambiamenti sono indotti nel circuito. Quali neuroni nel cervelletto osservano

la precisione del vostro swing e decidono quando il circuito che produce quel movimento ha bisogno

di essere aggiornato? Quali neuroni sanno che state facendo un errore? La terza questione

è come vengono letti i cambiamenti sinaptici nel circuito? Come fanno particolari cambiamenti

nel circuito ad alterare il modo in cui si processano le informazioni la prossima volta che sono attivate?

Non abbiamo ancora le risposte a queste domande ma abbiamo scoperto studiando il cervelletto,

che vi sono diverse analogie con ciò che si vede al livello dell'intero cervello.

Sappiamo che ci sono vari tipi di apprendimento e che la memoria dipende da varie regioni del cervello.

Fino a poco tempo fa si pensava che all'interno della regione del cervello ci fosse un meccanismo

principale di apprendimento. Così ogni volta che quella regione apprendeva lo faceva

quasi allo stesso modo. Invece ciò che abbiamo scoperto è che il cervelletto contiene

al suo interno meccanismi di apprendimento multipli. Così se il vostro swing deve essere affinato

dovreste poterlo fare con diverse combinazioni di cambiamenti nei circuiti del cervelletto.

Abbiamo scoperto che sessioni individuali di allenamento possono attivare

meccanismi di apprendimento e sottili cambiamenti nel modo in cui ci alleniamo o

facciamo pratica possono determinare quali meccanismo sono impegnati e quali no, quali sinapsi

cambiano o non cambiano. Tutto ciò ha davvero importanti implicazioni perché pensiamo

che il dispiego di diversi meccanismi di apprendimento interessi fattori come

per quanto tempo l'apprendimento si conservi, se ciò che si è appreso in un contesto si estende ad altri contesti,

e pensiamo che influisca sulla capacità dell'apprendimento di essere ribaltata

se le circostanza cambiano. Questo è importante non solo per il swing del golf ma per altre

cose come lo sviluppo di strategie di riabilitazione per pazienti che hanno avuto un ictus o lo sviluppo

di strategie di istruzione per i nostri figli. Ma naturalmente nel frattempo se troviamo qualcosa

che migliori il vostro swing a golf andrà bene lo stesso. Grazie per l'attenzione.