Ogni notte, in miliardi di cervelli, all’interno dei crani di mammiferi e uccelli, onde lente di attività scorrono a cascata attraverso i neuroni in un ritmo che si ripete da millenni. È il battito comune dei cervelli nel loro sonno più profondo.
L’ubiquità e l’uniformità di queste ‘onde lente’ parla di una profonda importanza, dice lo scienziato HBP Maurizio Mattia dell’Istituto Superiore di Sanità (l’NIH italiano) a Roma.
Descrive il momento in cui ha capito che questo era un ritmo comune in biologia. “Come fisico, quando l’ho visto ho pensato che questa non è biologia, questa è fisica. Ho pensato, questo è assolutamente curioso. Questa è l’impronta di qualcosa che funziona molto, molto bene. Qualcosa che è necessario attraverso le specie e attraverso l’evoluzione.”
Le onde lente appaiono quando il cervello è in sonno profondo e sono state osservate nei mammiferi e negli uccelli, e forse nei rettili. Mattia descrive le onde come cascate di attività che si muovono attraverso il cervello con un ritmo costante (circa 1 Hz, attraverso le specie).
Queste oscillazioni ritmiche si verificano a livello del singolo neurone, ma quando sono viste attraverso il cervello dall’iEEG (EEG intracranico) appaiono come un’onda che si muove attraverso il cervello a circa 30 mm al secondo.
“Non sono come le onde che vedi in acqua. Avete un mezzo eccitabile, quindi è come un fuoco in una foresta. Quando accendete il fuoco per la prima volta, esso si propagherà come un’onda, finché non avrete bruciato tutto il legno e poi si fermerà. Questo è come il periodo di inattività nel cervello, ma la foresta cresce di nuovo e poi si ha una nuova onda. Questo è ciò che accade nel cervello. Usa tutte le risorse disponibili per accendere i potenziali d’azione dei neuroni, poi serve un tempo di recupero. Fuoco e silenzio, fuoco e silenzio.”
La funzione completa e lo scopo di queste onde lente non è completamente compreso, ma hanno chiaramente un ruolo importante. Ci sono sempre più prove che questo ritmo è necessario per riprodurre un equilibrio nel cervello. Durante la veglia il cervello produce rifiuti e queste onde sembrano pulire il cervello, dice Mattia.
“Si può sopravvivere senza essere svegli, ma si muore sicuramente se non si dorme. È necessario avere queste onde lente per mantenere il cervello in condizioni di salute”
Le onde lente sono anche legate alla memoria e al consolidamento dell’apprendimento.
“Il fronte delle onde non è un fronte d’onda casuale. È definito dalla struttura che trova nel cervello. Immaginate molte persone che camminano fianco a fianco lungo una spiaggia. Quando alcuni trovano sabbia morbida cammineranno più lentamente, altri cammineranno più velocemente sulla sabbia più dura. Questa differenza nel terreno sarà rappresentata nella forma della linea delle persone che camminano.
“Quindi, tornando alla memoria, queste onde lente seguono i percorsi della rete e rinforzano questi percorsi. Più o meno.”
In questo senso è quasi una sorta di ripetizione, simile all’apprendimento, che sembra rafforzare i percorsi utilizzati durante il giorno ripetendoli più volte.
Mattia descrive le onde lente come una sorta di stele di Rosetta delle neuroscienze, dove le diverse lingue sono i diversi animali e il contenuto è l’onda lenta. Ecco perché sono utili, non solo per capire il cervello, ma anche, forse, per creare simulazioni del cervello. Possiamo replicare questa caratteristica comune a tutti i cervelli in una simulazione?
“Stiamo cercando di capire in che modo una data rete di neuroni, in-silico o in-vivo sono in grado di creare gli stessi ritmi e prendendo questo in diversi contesti ci permette di costruire una macchina che può comportarsi come un vero cervello”, dice Mattia.
“Una volta creato un cervello in-silico che ha questi ritmi, beh, questo è un buon punto di partenza per vedere come si comporta quando viene svegliato.”
Maurizio Mattia lavora nel componente Systems and Cognitive Neuroscience (Subproject 3) dello Human Brain Project.